WO2007101865A1 - Vorrichtung und verfahren zur elektrophoretischen abscheidung mit einer beweglichen elektrode - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur elektrophoretischen abscheidung mit einer beweglichen elektrode Download PDF

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WO2007101865A1
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electrode
suspension
chamber
support structure
particles
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PCT/EP2007/052132
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Thomas Wiest
Rolf Clasen
Stephan Dierkes
Johannes Zeiner
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BEGO Bremer Goldschlägerei Wilh. Herbst GmbH & Co. KG
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/12—Electroforming by electrophoresis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C13/00—Dental prostheses; Making same
    • A61C13/0003—Making bridge-work, inlays, implants or the like
    • A61C13/0006—Production methods
    • A61C13/001—Electrophoresis coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D13/22—Servicing or operating apparatus or multistep processes
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/04—Electroplating with moving electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for producing a shaped body, in particular a dental shaped body, by means of electrophoretic deposition of particles from a suspension.
  • the invention also relates to a system having such a device and a suspension of electrophoretically depositable particles, to a computer program for controlling such a device and to a data carrier having such a computer program.
  • the electrophoretic deposition of particles is a long-established method for the production of ceramic, metal or metal-ceramic components or glass bodies.
  • the electrophoretic deposition of particles for the production of ceramic components in particular in the field of fuel cell development and in the dental industry has become more and more of a focus.
  • Reasons for this are in the possibility to see homogeneous and To produce dense particle packages, in which also the layer thickness is defined adjustable.
  • zirconium oxide has been very well proven as a material for the production of dental ceramics. It has the advantage that in addition to the very good strength of the green body and molded body and a very good translucency is possible, so that this material has the optical properties of a real tooth or this comes very close.
  • a method for producing a glass body is known from EP 0 200 242 A2 and EP 0 196 717 A1, in which a porous green body is formed from an aqueous suspension having a highly dispersed solids content and this is subsequently cleaned and sintered, the green body being separated by separation the phases of the suspension is prepared by electrophoresis.
  • a method for producing a silica glass body is known.
  • SiO 2 particles are deposited from an aqueous dispersion on an electrically non-conductive membrane.
  • DE 103 20 936 A1 discloses a process for producing a ceramic all-green body, in particular for the dental sector, in which ceramic particles are deposited from a suspension on a porous mold. with an electrode inside and an electrode outside the porous form. It is thereby achieved that, when water is used as the dispersant or suspending agent as a result of electrolytic decomposition, gas bubbles occurring are not incorporated into the green body.
  • DE 100 49 971 A1 discloses a method in which a green body for a dental ceramic is electrodeposited on an electrode, the green body or the suspension from which is deposited containing ceramic fibers and / or nanocrystalline particles.
  • DE 102 51 369 A1 and DE 103 34 437 A1 teach to provide an electrode which is specially shaped and has regions of different conductivity in order to produce a desired spatial form of a deposited green body, that is to say for layers of deposition of different thicknesses. It proves to be disadvantageous that the special shape of the deposition electrode can only be determined empirically. The effect of a given shaping of the deposition electrode in cooperation with regions of different conductivity on the spatial form of the deposited layer is, if at all, only roughly predicted.
  • Rapid prototyping methods have also become established in the dental sector for the production of small series and for the construction of prototypes and individual structures. Their great advantage lies in their flexibility, since the tool is not only suitable for the production of a specific geometry, but also ensures form flexibility. In most known embodiments, it is assumed that layers (or films) of ceramic powder are fixed in layers in a location-selective manner. The excess, unfixed powders are usually discarded.
  • SLS selective laser sintering
  • LOM laminated object manufacturing
  • EP 1 021 997 A2 discloses a method in which dental restorations and dental auxiliary parts are produced by means of laser sintering. In this case, a biocompatible material is selectively irradiated, so that sintering takes place at these points.
  • the production of moldings should also be cost-effective, resource-efficient, fast and easy to carry out, with a good reproducibility of the process is desirable to achieve a low reject rate.
  • a corresponding system (with a device according to the invention and a suspension of electrophoretically depositable particles), a computer program for controlling such a device and a data carrier with such a computer program are to be specified.
  • an apparatus for producing a shaped body, in particular a dental molded body by means of electrophoretic deposition of particles from a suspension proposed, with a chamber for receiving the suspension, a first of the chamber associated electrode, a second of the chamber associated electrode, a support structure associated with the chamber, are deposited on the particles, wherein the support structure of the second electrode and / or a disposed between the first electrode and the second electrode deposition element is formed, and a voltage source for generating an electric potential difference between the first Electrode and the second electrode, the device having a positioning element for performing a relative movement between the first electrode and the support structure along a first predetermined path during the electrophoretic deposition.
  • the invention relates to a method for producing a shaped body, in particular a dental molded body, by means of electrophoretic deposition of particles from a suspension, comprising the steps of: providing a suspension of electrophoretically depositable particles, generating an electrical potential difference between a first electrode and a second electrode wherein one of the two electrodes is at least partially disposed in the suspension and the other of the two electrodes is in electrical contact with the suspension, and electrophoretic deposition of particles from the suspension on a support structure, wherein the support structure of the second Electrode and / or one arranged between the first electrode and the second electrode Abborgelement is formed, wherein the first electrode and / or the support structure during the electrophoretic deposition along a predetermined path are moved relative to each other.
  • the invention also relates to a system for producing a shaped body, in particular a dental molded body, by means of electrophoretic deposition of particles from a suspension, comprising: a device according to the invention for producing a shaped body and a suspension of electrophoretically depositable particles in the chamber of the device, wherein the support structure and the first or the second electrode are arranged in the operating state at least partially in the suspension and the other of said electrodes is at least in electrical contact with the suspension.
  • the invention also relates to a computer program that causes an inventive device for producing a shaped article by means of electrophoretic separation of particles from a suspension for carrying out a method according to the invention, when the computer program is executed on the device, as well as a data carrier with such a computer program.
  • the invention is based on the finding that it is possible to maintain the advantages of an electrophoretic deposition and to achieve a specific spatial structure of the deposited layer, if by a relative movement between an electrode and the support structure (to be deposited on the particles) for the electrophoretic deposition relevant electric field is made variable on the support structure.
  • a molded article can be produced in a simple manner, the geometry of which largely corresponds to a predetermined target geometry.
  • DE 103 20 936 A1 Although a device for positioning an electrode or a support structure is known from DE 103 20 936 A1, the corresponding device differs from the device according to the invention in that the support structure is brought together with an electrode to a predetermined, fixed position, wherein a Voltage source is available only when the electrode arrangement is fixed. DE 103 20 936 A1 does not envisage making a (relative) movement of the support structure during the electrophoresis.
  • Essential for the invention is the relative movement of the first electrode relative to the support structure. Which element of the device in this case is moved approximately in relation to the chamber or other elements of the entire device is irrelevant. It is possible to move only the first electrode with respect to a support structure fixed in the chamber or even only the support structure with respect to a first electrode fixed relative to the chamber. In addition, both elements, carrier structure and first electrode can be moved relative to one another and at the same time in each case relative to the chamber.
  • a device according to the invention is designed such that, in the case of an electrolytic decomposition of the dispersing medium or suspending agent, water-forming ions as well as all other free ions present in the system can penetrate the separating element and reach the electrode located behind it. The resulting by a recombination gases thus occur at the electrode and not at the location of the deposition (the separation element).
  • an aqueous suspension can be used, since the gas bubbles are not incorporated into the separation body, so that no defects occur in the separation body or green body. This is of great advantage especially in the production of dental ceramics.
  • the use of water as a suspending agent is particularly advantageous because high and very high deposition rates can be achieved due to the high dielectric constant of the water, which can shorten the process time.
  • the carrier structure can also be formed in a known manner by the second electrode, wherein the electrode material is also electrically non-conductive materials, for example gypsum, wax or plastic, if a sufficient electrical conductivity of the material is provided by a suitable coating or admixture Electrode is reached.
  • the electrode material is also electrically non-conductive materials, for example gypsum, wax or plastic, if a sufficient electrical conductivity of the material is provided by a suitable coating or admixture Electrode is reached.
  • the shape of the support structure may be flat or contoured.
  • a three-dimensional free-form framework can be constructed on a planar carrier structure. In this case, only one data set is required, which controls the electrode guidance.
  • a carrier structure with a contoured shape is present, for example a duplicate of a dental master model, areas of different layer thickness can be achieved by a controlled guidance of the relative movement along a predetermined path.
  • the shape of the support structure already gives the inner or outer contour of the green body or shaped body to be produced.
  • a desired shape of the support structure can be produced in a conventional manner, for example by modeling, molding or else a rapid prototyping method.
  • the material of the electrodes is preferably chemically resistant or inert to the suspensions used. This also applies to the material of the separation element.
  • the electrodes consist of a material selected from the group consisting of zinc, titanium, tungsten, tantalum, graphite, noble metal (in particular silver, gold, platinum), electrically conductive plastics and mixtures thereof.
  • the electrodes may have an electrode core coated with the aforementioned materials.
  • the material of the electrode core itself is not of importance if the electrode core is not mixed with the suspensions or liquids used Contact should come. However, if such a contact is provided, the material of the electrode core should also be chemically resistant or inert.
  • the electrode materials are selected so that contamination of the deposited molded body is largely avoided.
  • a dispersing aid preferably tetramethylammonium (TMAH) or hydrochloric acid (HCl) has proven to be advantageous. This makes it easy to set the pH value.
  • TMAH tetramethylammonium
  • HCl hydrochloric acid
  • a suspension with a value of the electrical conductivity between ⁇ .81 mS / n and 175 rrtS / crrt is preferred, in particular between 0.1 mS / cm and 75 mS / cm.
  • An advantage for the drying of the separation body is a so-called supercritical drying. In general, however, the separator can also be easily dried at room temperature. Another special drying method is drying in a saturated atmosphere, since this prevents structure inaccuracies.
  • the sintering of zirconium oxide-containing dental ceramics produced in accordance with the invention has proved to be advantageous in a zone sintering furnace at temperatures between 1200 ° C. and 1800 ° C., preferably between greater than 1400 ° C. and 1700 ° C. In this case, a speed of 1 to 15 mm / min, in particular 5 to 12 mm / min, preferably 8 mm / min, maintained.
  • the produced green body may be sintered in a vacuum sintering furnace or a chamber sintering furnace.
  • the support structure is formed by a deposition element arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the positioning element allows relative movement to take place along a second predetermined path between the second electrode and the first electrode and / or the deposition element.
  • the device according to this embodiment is designed, for example, to the fact that the second electrode is stationary relative to the first electrode, but is moved relative to the separation element. Another example is relative fixation of the second electrode to the deposition element upon movement of the second electrode with respect to the first electrode.
  • the device may also be configured to allow movement of the second electrode relative to both the deposition element and the first electrode.
  • the separation element has an ion-permeable membrane, in particular consisting of a material selected from the group consisting of gypsum, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyethersulfone and mixtures thereof.
  • the deposition element is preferably electrically non-conductive and preferably also has no semiconductive properties.
  • the separating element is wettable by the suspending agent or the other liquids used in Elektrophorese Anlagen.
  • the contact angle between the precipitation element and, for example, water is accordingly advantageously less than 90 °, preferably less than 80 °. If the criteria listed here are met, other materials may also be used for the separator. It has been found that the material of known dialysis hoses is suitable for use in a device according to the invention.
  • the carrier structure is formed by a separating element arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the chamber has at least two partial chambers separated by the separating element, wherein the first electrode of a first partial chamber and the second electrode of a second partial chamber assigned and at least the first or the second sub-chamber is provided for receiving the suspension.
  • the carrier structure is formed by a separating element arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the chamber has at least two partial chambers separated by the separating element during operation, the first electrode being a first partial chamber and the second Electrode is associated with a second sub-chamber and at least the first or the second sub-chamber contains the suspension.
  • the other of the said sub-chambers in the operating state contains an electrically conductive liquid as a compensating liquid.
  • the values of the electrical conductivity of the suspension or of the equalizing liquid are advantageously in each case between 0.001 mS / cm and 175 mS / cm, preferably between 0.1 mS / cm and 75 mS / cm.
  • the ratio of the electrical conductivity of the suspension to the compensation fluid is in the range from 0.02 to 50, in particular from 0.02 to 1.
  • the electric field causes the particles in a known manner to migrate in a desired or specific direction, whereby the electrophoretic deposition is achieved.
  • a separating element is provided which is arranged between the first electrode and the second electrode, the separable particles are repelled during operation by one of the electrodes and attracted to the other, whereby particles strike the separating element.
  • particles located between the attracting electrode and the precipitating element move towards the attracting electrode and in no case will reach the precipitating element, thus they can not be deposited there either.
  • the chamber can also be divided by a separating element into sub-chambers, which for example has the shape of a cup.
  • one partial chamber comprises the interior of the beaker and the other partial chamber is formed by the region of the chamber outside the beaker. An example of such a division can be found in DE 103 20 936 A1.
  • one or both of the electrodes are provided with a means for shielding and / or focusing an electric field between the electrodes.
  • the shield or bundling the electric field of the electrode or electrodes By shielding or bundling the electric field of the electrode or electrodes, a location-selective and targeted deposition of the particles on the support structure can be achieved during operation.
  • the shield or Bundling the field built up in operation between the electrodes can be limited to a defined section of the surface of the support structure or the field strength in areas outside this defined section can be reduced to a desired value, so that due to this field arrangement only or substantially only in this Surface cutout particles are deposited.
  • the surface of the support structure can be coated with the relative movement along the predetermined path, as it were with an "electrophoretic" brush, whereby the strength or thickness of the deposited layer can be adjusted, for example, by the field strength and the residence time
  • the invention can be achieved by varying the deposition-determining parameters due to the local deposition conditions, a local variation of the density of the deposited molded body.
  • one or both electrodes are formed from a line element surrounded by a shield, wherein the shield extends further than the line element in the direction of the opposite electrode.
  • one or both of the electrodes have a point tip.
  • the electric field of a point tip is well located. Especially with two opposite electrodes in the form of a point tip, a symmet- generate the electric field, whereby the control of the electrophoretic deposition can be simplified.
  • one of the electrodes has a point tip and the other of the electrodes has a circular arc-shaped in cross-section surface, preferably a surface in the form of a spherical zone or a spherical cap.
  • the surfaces of the electrodes each have opposing faces with parallel surface normals.
  • Such an electrode arrangement allows a generation of a particularly uniform electric field, as is formed, for example, between the electrodes of a plate capacitor.
  • a particularly controlled deposition can be carried out in a simple manner.
  • the voltage source is configured to generate a constant or pulsed DC voltage or a constant or pulsed DC voltage superimposed by an AC voltage.
  • a constant or pulsed DC voltage can be generated in a particularly simple manner. Even a superposition of such a voltage with an AC voltage does not require high equipment requirements. It has been found that with a DC voltage superimposed with an AC voltage An increased deposition density of the shaped body can be achieved. In this case, it is preferred that the result of the superposition does not show sign changes, since otherwise the driving force for the electrophoretic deposition is reversed. It is not necessary for the DC voltage in any case to have a constant value over the entire operating time when carrying out a method according to the invention. A voltage can already be considered constant in this context if the voltage remains constant for a period of at least 10 seconds, preferably at least 1 minute.
  • the device has a third electrode associated with the chamber, wherein the voltage source is configured, a constant or pulsed DC voltage or a constant or pulsed DC voltage superimposed by an AC voltage between the third electrode and the first and / or second To produce elec- trode.
  • the electrode arrangement of the device according to the invention is thus not limited to only two electrodes.
  • it may be provided to assign one or more further electrodes to the chamber, wherein in operation the field established between the first and two electrodes is superimposed by one or more further fields, the one or more additional electrodes (n) come from.
  • This allows the electrophoretic deposition to be controlled more variably.
  • the above statements on possible and preferred embodiments of the first and second electrodes also apply to a third or further electrodes.
  • At least one of the possible relative movements comprises a movement in at least two spatial directions, preferably in three spatial directions, and / or a rotation.
  • a particularly large freedom of design is achieved if the electrodes against one another or an electrode with respect to the support structure a movement tion in at least one plane, better still can perform in space, with rotations of the elements about its own axis and / or relative to another element are possible.
  • means for arranging the first electrode are provided substantially vertically above or below the second electrode.
  • Such an embodiment makes it possible for a movement of the particles to be separated in the suspension in the direction of gravitational attraction or against gravity to take place during operation. It has been found that an increased density of the separating body or shaped body can be achieved in a surprising manner with a movement of the particles in the deposition opposite to the gravitational attraction. A possible explanation for this may lie in the fact that in the suspension, in particular in a poorly dispersed suspension, larger agglomerates of the particles can form which, due to gravity, sink downwards independently of the prevailing electric field. If the electrophoretic deposition takes place against the direction of gravity, it is thus preferable to deposit the particles which have not (yet) come together to form agglomerates. On the other hand, by electrophoretic deposition in the direction of gravitational pull, faster layer build-up can be achieved when gravitational force interacts with the electric field.
  • the first electrode and / or the support structure are moved relative to one another during the electrophoretic deposition so that the local deposition conditions are essentially determined by the relative movement.
  • a variation of the field strength at the surface of the support structure can be achieved not only by a global change of the field due to a changed potential difference, but in a simple manner by a different positioning of the support structure in the field.
  • a different positioning is done by a relative movement.
  • specific surface regions of the carrier structure are exposed to the electric field at different times by a relative movement of the carrier structure relative to the corresponding electrode, with (local) electrophoretic deposition of particles taking place as a result of the locally acting electric field.
  • the suspension comprises an organic suspending agent (dispersing agent).
  • An organic suspending agent can be used advantageously in particular when the highest demands are placed on the structurability of the material to be deposited and a high deposition rate is of secondary importance. It has been found that larger field gradients are possible with organic suspending agents compared to aqueous suspensions. This may be due to the lower electrical conductivity of organic liquids. The larger field gradients, i. The use of organic dispersants, allow a more targeted modeling of the Abscheide stresses. As organic non-aqueous dispersants, for example, ethanol or dielectric liquids (e.g., hydrocarbons) can be used.
  • the suspension has water as a suspending agent (dispersing agent).
  • deposition rate is in the range from 0.05 mm / min to 10 mm / min, in particular for aqueous suspensions in the range from 0.5 to 2 mm / min.
  • deposition rate of organic suspending agents is a factor of 10 to 100 lower than in aqueous suspensions.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a first aspect of the invention
  • FIG. 2 shows a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a second aspect of the invention
  • FIG. 3 shows a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a third aspect of the invention
  • FIG. 4 shows a device according to the invention in a system for producing a shaped article according to a fourth aspect of the invention
  • FIG. 5 shows a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a fifth aspect of the invention
  • FIG. 6 shows an electrode arrangement according to a sixth aspect of the invention
  • FIG. 7 shows an electrode arrangement according to a seventh aspect of the invention DPg
  • FIG. 10 is a flowchart of an embodiment of a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a first aspect of the invention.
  • the device 101 comprises a chamber 103 for receiving a suspension of electrophoretically depositable particles, a first electrode 105 movably arranged in the chamber 103, a stationary second electrode 107 in the chamber as a support structure 107, a voltage source 109 and a positioning element 11 for the first Electrode 105.
  • the suspension 113 which contains electrophoretically depositable particles 115 in an organic solvent.
  • an electrophoretically deposited layer 117 of the particles on the second electrode 107 is already shown.
  • the first and second electrodes 105, 107 are located in the suspension 113 or immerse in it.
  • the system shown in FIG. 1 comprises the device 101 according to the invention and the suspension 1 13.
  • the wall of the chamber 103 is made of a non-porous, electrically non-conductive, chemically resistant material.
  • plastics preferably polycarbonate (PC) and more preferably polymethyl methacrylate (PMMA) are suitable as material for the wall of the chamber 103.
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • Another suitable material is glass.
  • the voltage source is shown here as controllable, but it is also possible to use a DC voltage source for a constant DC voltage or another suitable voltage source.
  • the polarity of the voltage source is important in this context, since an electrophoretic deposition is possible both in the direction of a cathode and in the direction of an anode.
  • the positioning member 11 1 is configured to allow and control movement of the first electrode 105 along a predetermined path. As indicated in FIG. 1, the first electrode 105 can be moved in the three spatial directions and positioned accordingly by means of the positioning element 11. In addition, a change in the orientation of the electrode 105 by means of the positioning element 11 1 is possible. If, for example, an electrode with a point tip is used, this electrode can be oriented differently in the space, that is to say have a certain orientation. If, in addition, a shield is used in the electrode, the electric field emanating from this electrode first passes from the electrode in a direction determined by the shield, so that it is advantageous to change this direction to the desired one by changing the orientation of the electrode To adjust conditions.
  • a flat plate may also be oriented as an electrode, for example it may turn its surface or an edge to another electrode.
  • the positioning element is shown in FIG. 1 in the region of the chamber 103 and the suspension 113. However, it is also possible to use the positioning element half of the suspension or to provide outside the chamber, with possibly only the first electrode 105 is in the suspension or immersed in this, but not the positioning. It can also be provided for controlling the positioning element of a separate control unit, for example a computer, by means of which the positioning unit and thus the movement and position of the first electrode can be controlled.
  • a separate control unit for example a computer
  • the first electrode 105 has a point tip, which can be guided along the surface of the second electrode 107 contacting the suspension in the desired manner. In this case, both the relative orientation and the distance of the first electrode 105 to the second electrode 107 are determined by the positioning element 11. Since the second electrode is arranged stationary in the chamber (fixing means not shown), a movement of the first electrode 105 readily results in a relative movement between the first electrode 105 and the second electrode 107, which here assumes the function of a carrier structure.
  • the second electrode 107 in the embodiment according to FIG. 1 consists of a plaster model, which has been suitably prepared for use as an electrode. For example, an electrically conductive coating or coating of the model may be provided or in the production of the model an electrically conductive material may have been added in sufficient quantity to the plaster.
  • first electrode 105 If the first electrode 105 is positioned at a certain distance and a certain orientation relative to the second electrode 107, particles 115 are separated from the suspension 113 on the second electrode 107 due to the electric field established between the first and second electrodes 105, 107. Due to the electrode arrangement, this deposition of particles takes place only in a specific area on the second electrode 107 or a layer already deposited on the second electrode 107. If now the first electrode 105 is moved, so also the area in which is deposited, moved over the second electrode.
  • a large surface area of the second electrode 107 can be gradually covered with a layer of electrophoretically deposited particles, the layer thickness in particular in particular the deposition parameters field strength (in particular on the surface to be deposited) and (electrode) residence time or movement speed depends.
  • the field strength can in this case be adjusted, for example, again via the voltage or via the electrode spacing.
  • Fig. 2 shows schematically a device according to the invention in a system for producing a shaped article according to a second aspect of the invention.
  • the device 201 largely corresponds to the device of FIG. 1 described above.
  • the device 201 comprises, like the latter, a chamber 103 for receiving a suspension with electrophoretically depositable particles, a movable first electrode 105 arranged in the chamber 103, a voltage source 109 and a positioning element 11 1 for the first electrode 105.
  • the suspension 213 which contains electrophoretically depositable particles 115 with water as a suspending agent.
  • the first electrode 105 is located in the suspension 213.
  • the device 201 has a separation element 219, which dips into the suspension 213 and divides the chamber 103 into two sub-chambers.
  • the first sub-chamber contains the suspension 213 and the second sub-chamber contains an electrically conductive liquid 221. While the first electrode 105 is disposed in the suspension 213 and thus in the first sub-chamber, the stationary second electrode is in the second sub-chamber and in the electrical Conductive liquid 221.
  • the separation element 219 is made of polyethersulfone and has a pore size in the range of 60nm to 1 micron. In the schematic representation of FIG.
  • an electrophoretically deposited layer 17 of the particles is likewise already shown, which is located here on the outer surface of the separation element 219 facing the suspension 213 or the first electrode 105.
  • the shape of the second electrode 207 is adapted to the shape of the Abscheidigas 219, but can also be any other shape for the second electrode may be provided.
  • the system shown in FIG. 2 comprises the device 201 according to the invention and the suspension 213 together with the electrically conductive liquid 221.
  • the separation element 219 is not arranged stationary as shown in FIG. 2, but that the separation element is arranged to be movable by means of a positioning element.
  • a movable arrangement of the separating element it may be possible to dispense with providing the first electrode as movable, since in this way too a relative movement between the first electrode and the separating element can be achieved.
  • Fig. 3 shows schematically a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a third aspect of the invention.
  • the apparatus 301 largely corresponds to the apparatus of FIG. 2 described above.
  • the apparatus 301 comprises, like those, a chamber 103 for accommodating a suspension with electrophoretically depositable particles, a movable first electrode 105 arranged in the chamber 103, a voltage source 109 and a Positioning element 1 11 a for the first electrode 105.
  • the suspension 213 which contains electrophoretically depositable particles 115 with water as a suspending agent.
  • the first electrode 105 is located in the suspension 213.
  • the device 301 has a separation element 219 which dips into the suspension 213 and divides the chamber 103 into two sub-chambers.
  • the first sub-chamber contains the suspension 213 and the second sub-chamber contains an electrically conductive liquid 221.
  • the first electrode 105 is arranged in the suspension 213 and thus in the first sub-chamber, the second electrode 307, which deviates from FIG second sub-chamber and in the electrically conductive liquid 221.
  • the device 301 has a positioning element 11 1 b.
  • the positioning elements 1 11 a and 1 11 b are shown separately, they can be provided individually as well as combined in a single positioning element 11 1.
  • 3 also shows an electrophoretically deposited layer 117 of the particles, which is located here on the outer surface of the separation element 219 facing the suspension 213 or the first electrode 105.
  • the device 301 comprises a lid 323, which closes off the chamber 103 and thus prevents impurities from entering the suspension 213 or the electrically conductive liquid 221 from outside the chamber 103.
  • the system shown in Fig. 3 comprises the device 301 according to the invention and the suspension 213 together with the electrically conductive liquid 221.
  • the system shown in Fig. 3 operates in operation similar to that shown in Fig. 2, in the in Fig. 3 illustrated embodiment, in addition, the second electrode is moved.
  • Fig. 4 shows schematically a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a fourth aspect of the invention.
  • the device 401 comprises a chamber 103, a stationary arranged separating element 219 as a support structure which separates the chamber 103 into a first sub-chamber for receiving a suspension of electrophoretically depositable particles and a second sub-chamber for receiving an electrically conductive liquid, one movably arranged in the first sub-chamber first electrode 405, a stationary second electrode 407 arranged in the second sub-chamber, a third electrode 425 fixedly arranged in the first sub-chamber, a voltage source 409 and a positioning element 11 1 for the first electrode 405.
  • the suspension 213 which contains electrophoretically depositable particles 15 with water as suspending agent.
  • the first electrode 405 and the third electrode 425 are in the suspension 213 or immerse in this.
  • the first electrode 405 is designed as a flat, plate-shaped electrode which can be moved at a predetermined distance parallel to the likewise flat separating element 219 by means of the positioning element 11.
  • the first electrode 405 is located between the deposition element and the third electrode 425, which is also configured as a flat plate.
  • the area of the third electrode 425 is approximately equal to that of the precipitating element 219, while the area of the first electrode 405 is substantially smaller.
  • the second electrode 407 which, like the third electrode, is configured as a flat plate in a size substantially corresponding to the separating element 219, is located on the side of the separating element 219 opposite the first electrode 405.
  • the voltage source 409 has partial voltage sources 409a, 409b and 409c.
  • the partial voltage source 409a is a controllable DC voltage source and serves to set up and maintain a DC voltage between the second electrode 407 and the third electrode 425. This DC voltage results in an electric field between the second electrode 407 and the third electrode 425.
  • the partial voltage source 409c is provided to establish and maintain a DC voltage between the first electrode 405 and the second electrode 407. During operation, this DC voltage is superimposed by an AC voltage generated by the partial voltage source 409b.
  • the electric field built up due to the potential difference between the first electrode 405 and the second electrode 407 overlaps with that between the third electrode 425 and the second electrode 407. According to the result of this superposition, electrophoretic deposition of the particles 115 from the suspension 213 occurs on the Separating element 219. By a movement of the first electrode, this deposition can be set differently at different locations of the separation element 219.
  • the system shown in FIG. 4 comprises the device 401 according to the invention and the suspension 213 together with the electrically conductive liquid 221.
  • Fig. 5 shows schematically a device according to the invention in a system for producing a shaped body according to a fifth aspect of the invention.
  • the inventive system shown in Fig. 5 with the device 501 according to the invention corresponds largely to that shown in Fig. 4.
  • the device 501 is designed so that the chamber 503 is divided by the separating element 219 into an upper and a lower partial chamber.
  • the first electrode 405 is disposed vertically below the second electrode 407, whereby in operation, the electrophoretic deposition takes place against a gravitational force on the particles 15. Suitable measures are taken (not shown here) to ensure that the suspension 213 is in contact with the separation element 219 in the desired separation region.
  • FIG. 6 shows schematically an electrode arrangement according to a sixth aspect of the invention.
  • a first electrode 105 is movably disposed in the vicinity of a stationary second electrode 107 and has a dot tip.
  • the first electrode 105 or its tip can follow a predetermined path 627, which was chosen here so that it follows the surface contour of the second electrode 107.
  • the inclination of the first electrode 105 may be changed such that it is aligned, for example, during movement along the path 627 perpendicular to the respective nearest surface element of the surface of the second electrode 107.
  • Fig. 7 schematically shows an electrode arrangement according to a seventh aspect of the invention.
  • a first electrode 105 and a second electrode 307 are movably disposed on opposite sides of a separator 219.
  • the electrodes 105, 307 each have a dot-tip and are arranged to follow a first predetermined path 627 and a second predetermined path 729, respectively.
  • the orientations of the electrodes can be adapted to extend along an extended line between their tips, it being possible for this line to be perpendicular to the surface of the separating element 219 configured as a thin membrane when passing through the paths 627 and 729, respectively ,
  • FIG. 8 schematically shows an electrode arrangement according to an eighth aspect of the invention.
  • a planar deposition element 219 is arranged between a movably arranged first electrode 105 with a point tip and a movably arranged second electrode 807.
  • the first electrode 105 and the second electrode 807 are coupled with each other so as to perform a synchronous movement, respectively.
  • the first electrode 105 or the second electrode 807 can therefore each move relative to the deposition element 219, but remains stationary relative to the respective other electrode.
  • the second electrode 807 has an arcuate cross-section toward the first electrode 105, with the tip of the first electrode 105 in the center of the associated circle. In this way, a symmetrical field can be generated between the electrodes.
  • a first electrode 905 is fixedly arranged near a second electrode 907.
  • the first electrode 905 is coaxially shielded and comprises a line element 933 which is surrounded by an insulation 935.
  • the insulation 935 is in turn surrounded by a shielding element 937.
  • the insulation 935 and the shielding element 937 extend further than the conducting element 933 in the direction of the second electrode 907.
  • the shielding element 937 in this case has the potential of the second electrode 907.
  • the second Electrode 907 is provided here as a support structure and has as outer contour a desired inner contour of a manufactured (here: dental) shaped body.
  • the second electrode 907 is movably disposed in all spatial directions and may be inclined with respect to the first electrode 905 so that the electric field occurring between the first electrode 905 and the second electrode 907 in operation is always perpendicular to the surface of the second electrode.
  • Fig. 10 shows schematically a flowchart of an embodiment of a method according to the invention.
  • the suspension of electrophoretically depositable particles is provided (step 50) and generates an electrical potential difference between a first electrode and a second electrode, for example in a system as described above (step 52).
  • step 54 electrophoretic deposition of particles from the suspension on a support structure (step 54).
  • This support structure may be formed by the second electrode or by a deposition element arranged between the first electrode and the second electrode.
  • the electrophoretic deposition step 54
  • one of the steps 56 or 62 takes place.
  • Step 56 is that the first electrode and the support structure are moved relative to each other. In this case, either the first electrode or the carrier structure or both the first electrode and the carrier structure can be moved.
  • step 58 and / or step 60 may be performed simultaneously with step 56.
  • Step 58 is that the first electrode and the second electrode are moved relative to each other. In this case, either the first electrode or the second electrode or both the first and the second electrode can be moved.
  • Step 60 is that the second electrode and the deposition element are moved relative to each other. In this case, either the second electrode or the deposition element or both the second electrode and the deposition element can be moved.
  • Steps 56 to 60 cover all relative movement possibilities in which relative movement takes place between the first electrode and the support structure.
  • the case of a relative movement between the support structure and the second electrode without a relative movement between the support structure and the first electrode is only apparently not detected, since in such a case the designations of the first and the second electrode are to be exchanged.
  • Step 62 is to maintain the relative positions of the first electrode and support structure.
  • the illustrated embodiment of the method according to the invention comprises at least one embodiment of step 56.
  • steps 54 and 56 or 62 a repetition of these steps (54-62) may follow until the electrophoretic deposition is complete.
  • the invention - as described above and below - relates to a method for producing structured ceramic, metallic or metal-ceramic moldings or green bodies, which can be used after suitable sintering, for example in the dental field.
  • Ceramic or metallic particles are produced according to the invention by means of electrophoresis.
  • se EPD
  • Guiding the electrode (s) along a support structure eg, a porous mold / membrane or the counter electrode
  • a support structure eg, a porous mold / membrane or the counter electrode
  • the formation of the shaped bodies or green bodies takes place according to the invention by electrophoretic deposition of dispersed ceramic and / or metal powders from suspensions onto a carrier.
  • a carrier This may be an electrically conductive or conductive base body or an ion-permeable membrane which is arranged between the electrodes.
  • the shape or the locally applied layer thickness of the deposited green body can be determined according to the invention as a function of the locally effective electric field.
  • the local electric field results from the voltage applied to the electrodes, the electrode geometries (diameter, distance), the coaxial shielding (or bundling) and the dielectric properties of the suspension.
  • a DC voltage is applied between the electrodes.
  • the DC voltage can be pulsed or the applied DC voltage U D c an AC voltage U A C (U D C> U A c) are superimposed.
  • the molded body After the formation of the molded body can be provided to dry it and then to sinter.
  • the separation from the carrier structure can take place before, during or after the drying.
  • sintering By sintering, a sintered or densely sintered body can be produced. Furthermore, can To reduce the porosity and thus also to increase the strength of the shaped body of the moldings are infiltrated with glass, plastic or metal.
  • the guidance of the electrode or of the electrodes along the support structure can take place in three dimensions, wherein the applied electrical voltage can be varied.
  • a control can be provided by data, which allow the desired configuration of the shaped body end ampnah.
  • the (preferably three-dimensional) guidance of an electrode or of electrodes and / or their shielded / bundled / directed electric field can be both build locally different layer thicknesses as well as on a flat surface three-dimensional moldings (similar to a rapid prototyping method).
  • aqueous Sus pensions By the deposition of the shaped body on a membrane as a separating element, which is spatially separated from the electrodes, and aqueous Sus pensions can be used without having to take into account any gas formation.
  • the decomposition of water into oxygen and hydrogen at the electrodes for UDC> 1, 23 V (decomposition voltage of water) has no influence on the formation of the ceramic or metallic shaped body on the membrane.
  • Aqueous suspensions are very advantageous because they are easy to handle and because of the high dielectric constants of the water high deposition rates are possible.
  • Example 1 In the following further embodiments are given: Example 1 :
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • TZ-8Y zirconium oxide
  • the thus prepared electrophoretic suspension used according to the invention was double-distilled water, mixed with 0.96 g TMAH, filled.
  • TMAH TMAH
  • the electrodes a double-shielded cable having an inner diameter of 100 ⁇ m was used, in which the inner wire was shorter than the shield.
  • Polyethersulfone (PES) was used as the material for the membrane separator.
  • the applied DC electrical voltage of the Gleichêtsquel- Ie was 150 V at a distance of the electrodes of 1, 6 cm, applied for a period of 10 min.
  • the electrodes were controlled by a CAM system (FANUC Robot, LR Mate 200 iB) such that a separator body in the form of a cap was formed on the membrane.
  • a CAM system FANUC Robot, LR Mate 200 iB
  • the green body was demolded from the separator and dried at room temperature for 48 hours.
  • the density of the green body thus produced was determined by means of Archimedes' principle and was 4.76 g / cm 3 .
  • the green body thus produced was sintered at a temperature of 1600 ° C in a zone sintering furnace at a feed rate of 0.8 cm / min. Thereafter, the structure had a density of 6.27 g / cm 3 .
  • Example 2 Into a 250 ml plastic jar was charged 32.57 g bidistilled water. 7.43 g of tetramethylammonium hydroxide (TMAH) was added. 160 g of Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y were stirred in using a commercial dissolver. The suspension prepared in this way accordingly had a solids content of 80.0% by weight. The pH of the suspension thus prepared was 1 1, 8, the conductivity at 5.17 mS / cm.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • the device used is shown schematically in FIG.
  • the conductive liquid used was double-distilled water, mixed with 1.43 g of TMAH.
  • the electrodes used were simply shielded cables with an inner diameter of 100 ⁇ m.
  • the material used for the precipitation element was polymethyl methacrylate (PMMA).
  • the applied DC electrical voltage of the DC voltage source was 150 V at a starting distance of the electrodes 2 of 1, 2 cm.
  • the movement of the electrodes was again controlled by a CAM system (FANUC Robot, LR Mate 200 iB).
  • the moldings thus produced were two caps formed on a membrane. In this case, the distance of the electrodes with increasing thickness of the shaped body of initially 1, 2 cm was gradually increased to 2.1 cm.
  • the green body was released from the porous mold and dried at room temperature for 72 hours.
  • the density of the green body thus produced was determined by the Archimedes principle and was 4.92 g / cm 3 .
  • the green body thus produced was finally sintered at a temperature of 1650 ° C in a zone sintering furnace at a speed of 0.8 cm / min. Thereafter, the structure had a density of 6.15 g / cm 3 .
  • the suspension prepared in this way had a solids content of 70.0% by weight and a conductivity of 24.97 ⁇ S / cm.
  • the suspension thus prepared was used in a device according to the invention in a first sub-chamber.
  • the other compartment was filled with bidistilled water, mixed with 1.43 g of citric acid.
  • the electrodes used were double-shielded cables with an inner diameter of 100 ⁇ m.
  • a material for the separation element as a porous form a commercially available, soaked in bidistilled water dialysis tube was used.
  • the applied DC electrical voltage of the DC voltage source was 100 V with a starting distance of the electrodes of 1.75 cm.
  • the movement of the electrodes controlled by a CAM system was carried out at a speed of 5 mm / s to a molded body thickness of 3 mm and then at a speed of 3.5 mm / s. This produced a zirconia cap.
  • the green body was dried on the porous mold at room temperature for 24 hours.
  • the density of the green body thus produced was determined by the Archimedes principle and was 4.94 g / cm 3 .
  • the green body thus produced was finally sintered at a temperature of 1600 ° C in a zone sintering furnace at a feed rate of 0.8 mm / min. Thereafter, the structure had a density of 6.1 g / cm 3 .
  • a slip consisting of glycerol and gold particles is produced and placed in a container. This slip is stabilized with uric acid.
  • As a deposition electrode of the positive impression (working model) of a tooth stump is used.
  • the stump material is a phosphate-bound mass.
  • the surface is made conductive with graphite conductive paint.
  • the surface is first uniformly coated with a conductive paint by means of a brush and then dried at 170 ° C.
  • This conductive model is contacted and placed in the slurry filled container. In this container are both a large-area counter electrode and a controllable / movable counter electrode. It is a double-shielded cable with an inside diameter of 100 ⁇ m.
  • a DC voltage of 10 V is applied between the deposition electrode and the counterelectrode and between the deposition electrode and the movable counterelectrode.
  • the controllable electrode is moved. This could be used to build thicker layers or anatomical shapes.
  • the framework thus produced is sintered together with the model in the oven at 900 ° C for 2 hours.
  • the scaffolding on the model sinters and the pores disappear.
  • the model is dissolved out of the framework with nitric acid.

Abstract

Es ist eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Vorrichtung (101, 201, 301, 401, 501) anzugeben zur Herstellung eines Formkörpers (117), insbesondere eines dentalen Formkörpers (117), mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln (115) aus einer Suspension (113, 213), wobei eine vorbestimmte Raumform gezielt hergestellt werden kann, um so eine Herstellung des Formkörpers (117) möglichst endmaß- und endkonturnah zu erreichen. Die Herstellung der Formkörper (117) soll zudem kostengünstig, ressourceneffizient, schnell und möglichst einfach durchzuführen sein, wobei eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens erwünscht ist, um eine geringe Ausschussquote zu erreichen. Hierzu wird eine Vorrichtung (101, 201, 301, 401, 501) vorgeschlagen mit einer Kammer (103, 503) zur Aufnahme der Suspension (113, 213), einer ersten der Kammer (103, 503) zugeordneten Elektrode (105, 405, 905), einer zweiten der Kammer (103, 503) zugeordneten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907), einer der Kammer (103, 503) zugeordneten Trägerstruktur (107, 219, 907), auf der die Partikel (1 15) abscheidbar sind, wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) und/oder einem zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird, einer Spannungsquelle (109, 409) zum Erzeugen (52) einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) und einem Positionierelement (111, 111a) zum Durchführen einer Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der Trägerstruktur (107, 219, 907) entlang eines ersten vorbestimmten Pfades (627) während der elektrophoretischen Abscheidung.Gemäß einem weiteren Aspekt sollen ein entsprechendes System (mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (101, 201, 301, 401, 501) und einer Suspension (113, 213) elektrophoretisch abscheidbarer Partikel (115), ein entsprechendes Verfahren, ein Computerprogramm zur Steuerung einer solchen Vorrichtung (101, 201, 301, 401, 501) sowie ein Datenträger mit einem solchen Computerprogramm angegeben werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur elektrophoretischen Abscheidung mit einer beweglichen Elektrode
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension. Die Erfindung betrifft zudem ein System mit einer solchen Vorrichtung und einer Suspen- sion elektrophoretisch abscheidbarer Partikel, ein Computerprogramm zur Steuerung einer solchen Vorrichtung sowie einen Datenträger mit einem solchen Computerprogramm.
Das elektrophoretische Abscheiden von Partikeln ist ein lange etabliertes Verfahren zur Erzeugung von keramischen, metallischen oder metallkeramischen Bau- teilen oder Glaskörpern. In den letzten Jahren ist die elektrophoretische Abscheidung von Partikeln zur Erzeugung keramischer Bauteile insbesondere im Bereich der Brennstoffzellenentwicklung und in der Dentalbrache immer stärker in den Fokus gerückt. Gründe hierfür sind in der Möglichkeit zu sehen, homogene und dichte Partikelpackungen zu erzeugen, bei denen zudem die Schichtstärke definiert einstellbar ist.
In den letzten Jahren haben sich potentialunterstützte Verfahren (Verfahren bei denen zur Unterstützung oder Beschleunigung des Prozesses ein elektrisches Feld angelegt wird) zur Herstellung von Dentalkeramiken etabliert, da diese im Gegensatz zu D ruckgu ssverfahren höhere Gründichten und eine höhere Homogenität erlauben. So kann bei einer Sinterung der Schrumpf minimiert werden, was eine Herstellung mit im Vergleich zum Druckguss größerer Endkonturnähe ermöglicht. Außerdem schrumpft die Probe auf Grund der Homogenität isotrop. Die diesen Verfahren zu Grunde liegenden Suspensionen bieten den Vorteil, dass nach der Herstellung des Formkörpers eine Wiederaufbereitung und somit eine Wiederverwendung möglich ist.
Insbesondere hat sich Zirkonoxid als Material zur Herstellung von Dentalkeramiken sehr gut bewährt. Es hat den Vorteil, dass neben der sehr guten Festigkeit der Grünkörper und Formkörper auch eine sehr gute Transluzenz möglich ist, so dass dieses Material die optischen Eigenschaften eines echten Zahns aufweist bzw. diesen sehr nahe kommt.
Aus der EP 0 200 242 A2 und EP 0 196 717 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, bei dem aus einer wässrigen Suspension mit hoch- dispersem Feststoffanteil ein poröser Grünkörper geformt und dieser anschließend gereinigt und gesintert wird, wobei der Grünkörper durch Trennung der Phasen der Suspension mittels Elektrophorese hergestellt wird.
Aus DE 103 19 300 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kieselglaskörpers bekannt. Es werden hierbei SiO2-Partikel aus einer wässrigen Dispersion auf einer elektrisch nicht leitenden Membran abgeschieden.
Aus DE 103 20 936 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines vollkeramischen Grünkörpers, insbesondere für den dentalen Bereich, bekannt, bei dem keramische Partikel aus einer Suspension auf einer porösen Form abgeschieden wer- den, wobei eine Elektrode innerhalb und eine Elektrode außerhalb der porösen Form angeordnet ist. Hierbei wird erreicht, dass bei der Verwendung von Wasser als Dispergiermittel bzw. Suspensionsmittel infolge elektrolytischer Zersetzung auftretende Gasblasen nicht in den Grünkörper eingebaut werden.
Aus DE 101 20 084 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Dentalformteile mittels elektrophoretischer Abscheidung auf einem Modell hergestellt werden. Die äußere, dem Modell abgewandte Oberfläche des dabei erhaltenen keramischen Körpers wird unter Abtrag von keramischem Material bearbeitet.
Aus DE 100 49 974 A1 ist bekannt, eine Dentalkeramik aus mindestens einem keramischen Pulver mit Zusatz eines metallischen Pulvers herzustellen, wobei der Grünkörper vorzugsweise durch eine elektrophoretische Abscheidung erzeugt wird. Bei der Sinterung unter einer oxidativen Atmosphäre wird das Metall reduziert, was zum Kompensieren des Sinterschrumpfs dient.
Aus DE 100 49 971 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Grünkörper für eine Dentalkeramik auf einer Elektrode elektrophoretisch abgeschieden wird, wobei der Grünkörper bzw. die Suspension, aus der abgeschieden wird, keramische Fasern und/oder nanokristalline Partikel enthalten.
In "Creation and Optical Property of Microphotonic Crystals by Electrophoretic Depsoition Method using Micro-counter Electrode" (J. -I. Hamagami, K. Hase- gawa und K. Kanamura, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 797 (2004) 151-156) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Mikroelektrode gegenüber einer flächigen Elektrode angeordnet wird, um eine lokal begrenzte elektrophoretische Abscheidung zu erlauben.
Der oft angeführte Vorteil der elektrophoretischen Abscheidung, homogene Schichten zu ermöglichen, stellt bei den bekannten Verfahren allerdings auch eine Beschränkung dar. Die weitgehend gleichmäßige Abscheidung der Partikel über die gesamte Elektrode bzw. das gesamte Abscheideelement sowie insgesamt über den abgeschiedenen Formkörper hat zur Folge, dass der gesamte abgeschiedene Formkörper eine im wesentlichen gleichmäßige Schichtdicke an abgeschiedenen Partikeln aufweist. Diese uniforme Schichtdicke macht es bei den bekannten Verfahren nötig, eine Nachbearbeitung des abgeschiedenen Körpers, beispielsweise durch Fräsen, vorzusehen, um gewünschte Unterschie- de der Schichtdicke im abgeschiedenen Formkörper zu erreichen. Insbesondere im dentalen Bereich ist es häufig nötig oder wünschenswert, beispielsweise bei Kronen, Formkörper mit variierender Wandstärke zu erzeugen.
In DE 102 51 369 A1 und DE 103 34 437 A1 wird gelehrt, zur Erzeugung einer gewünschten Raumform eines abgeschiedenen Grünkörpers, also für unter- schiedlich große Schichtdicken der Abscheidung, eine Elektrode vorzusehen, die speziell geformt ist und Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit besitzt. Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die spezielle Form der Abscheidungselektrode nur empirisch bestimmbar ist. Die Auswirkung einer vorgegebenen Formgebung der Abscheidungselektrode im Zusammenwirken mit Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit auf die Raumform der abgeschiedenen Schicht ist, wenn überhaupt, nur grob vorherzusagen.
Rapid-Prototyping-Verfahren haben sich zur Herstellung kleiner Serien und zum Bau von Prototypen und individuellen Strukturen auch im Dentalbereich etabliert. Ihr großer Vorteil liegt in ihrer Flexibilität, da sich das Werkzeug nicht nur zur Herstellung einer bestimmten Geometrie eignet, sondern auch Formflexibilität gewährleistet. In den meisten bekannten Ausführungsformen wird von Schichten (bzw. Folien) keramischer Pulver ausgegangen, die ortsselektiv schichtenweise fixiert werden. Die überschüssigen, nicht fixierten Pulver werden in der Regel verworfen.
Eine Fixierungsmöglichkeit ist das selektive Lasersintern (SLS), bei dem viel überschüssiges Material anfällt. Dies muss in komplizierten Schritten wieder aufbereitet werden. Bei dem Laminated Object Manufacturing (LOM), bei dem zurechtgeschnittene Folien mit einer Dicke von etwa 130 μm miteinander laminiert und anschließend gesintert werden, fällt ebenfalls überschüssiges Material an, welches nicht wieder aufbereitet werden kann. Aus EP 1 021 997 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Zahnersatz und dentale Hilfsteile mittels Lasersintern hergestellt werden. Dabei wird ein biokompatibler Werkstoff selektiv bestrahlt, so dass an diesen Stellen eine Sinterung stattfindet.
Aus DE 102 19 983 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Laserstrahl selek- tiv über ein Pulverhaufwerk aus metallischen oder nichtmetallischen Pulvern geführt wird, so dass durch Absenkung der bereits gesinterten bzw. geschmolzenen Struktur eine Geometrie Schicht für Schicht aufgebaut werden kann. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die Geometrie, insbesondere eine vorhandene Sollbruchstelle, mechanisch nachbearbeitet werden muss.
Das Ergebnis einer sukzessiven, zumeist schichtweisen, Sinterung bleibt in Bezug auf die Homogenität des Materials gegenüber einem als ganzem gesinterten, etwa mittels Elektrophorese abgeschiedenen Körper zurück.
Die bekannten Verfahren, bei denen eine (elektrophoretische) Abscheidung eingesetzt wird, erlauben es, eine Oberfläche des herzustellenden Formkörpers ausreichend genau zu definieren, nämlich die Fläche des Formkörpers, die an der Oberfläche der Trägerstruktur anliegt, auf der abgeschieden wird. Eine gewünschte Variation der Dicke des Formkörpers und somit eine gezielte Einstellung der dreidimensionalen Form des Formkörpers ist nur sehr eingeschränkt und schlecht reproduzierbar möglich.
Bekannte Rapid-Prototyping-Verfahren erlauben es zwar, eine gewünschte Raumform gezielt herzustellen, hierbei wird jedoch nicht die besondere Homogenität der elektrophoretischen Abscheidung erreicht. Zudem sind wesentliche Materialverluste durch Herstellungsabfälle bei den bekannten Verfahren nicht zu vermeiden.
Es ist eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension, wobei eine vorbestimmte Raumform gezielt hergestellt werden kann, um so eine Herstellung des Formkörpers möglichst endmaß- und endkonturnah zu erreichen. Die Herstellung der Formkörper soll zudem kostengünstig, ressourceneffizient, schnell und möglichst einfach durchzuführen sein, wobei eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens erwünscht ist, um eine geringe Ausschussquote zu erreichen. Gemäß einem weiteren Aspekt sollen ein entsprechendes System (mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel), ein Computerprogramm zur Steuerung einer solchen Vorrichtung sowie ein Datenträger mit einem solchen Computerprogramm angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektro- phoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension, vorgeschlagen, mit einer Kammer zur Aufnahme der Suspension, einer ersten der Kammer zugeordneten Elektrode, einer zweiten der Kammer zugeordneten Elektrode, einer der Kammer zugeordneten Trägerstruktur, auf der Partikel abscheidbar sind, wobei die Trägerstruktur von der zweiten Elektrode und/oder einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet wird, und einer Spannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Vorrichtung ein Positionierelement zum Durchführen einer Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und der Trägerstruktur entlang eines ersten vorbestimmten Pfades während der elektrophoretischen Abscheidung besitzt.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektrophoretischer Abschei- düng von Partikeln aus einer Suspension, mit den Schritten: Bereitstellen einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel, Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei eine der beiden Elektroden zumindest teilweise in der Suspension angeordnet ist und die andere der beiden Elektroden mit der Suspension in elekt- rischem Kontakt steht, und Elektrophoretisches Abscheiden von Partikeln aus der Suspension auf einer Trägerstruktur, wobei die Trägerstruktur von der zweiten Elektrode und/oder einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheidelement gebildet wird, wobei die erste Elektrode und/oder die Trägerstruktur während des elektrophoretischen Abscheidens entlang eines vorbestimmten Pfades relativ zueinander bewegt werden.
Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension, mit: einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers und einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel in der Kammer der Vorrichtung, wobei die Trägerstruktur und die erste oder die zweite Elektrode im Betriebszustand zumindest teilweise in der Suspension angeordnet sind und die andere der besagten Elektroden mit der Suspension zumindest in elektrischem Kontakt steht.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers mittels elektrophoretischer Ab- Scheidung von Partikeln aus einer Suspension zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst, wenn das Computerprogramm auf der Vorrichtung ausgeführt wird, sowie einen Datenträger mit einem solchen Computerprogramm.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, die Vorteile einer elektrophoretischen Abscheidung beizubehalten und dabei einen gezielten räumlichen Aufbau der abgeschiedenen Schicht zu erreichen, wenn durch eine Relativbewegung zwischen einer Elektrode und der Trägerstruktur (auf der Partikel abgeschieden werden sollen) das für die elektrophoretische Abscheidung relevante elektrische Feld an der Trägerstruktur variabel gestaltet wird. Durch eine vorbestimmte Änderung des die Abscheidung hervorrufenden elektrischen Feldes infolge der Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und der Trägerstruktur kann auf einfache Weise ein Formkörper hergestellt werden, dessen Geometrie weitestgehend einer vorbestimmten Zielgeometrie entspricht. Eine Einrichtung zur Positionierung einer Elektrode bzw. einer Trägerstruktur ist zwar aus DE 103 20 936 A1 bekannt, die entsprechende Vorrichtung unterscheidet sich jedoch von der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch, dass die Trägerstruktur zusammen mit einer Elektrode an eine vorbestimmte, festgelegte Position gebracht wird, wobei eine Spannungsquelle erst bei fixierter Elektrodenanordnung zur Verfügung steht. In DE 103 20 936 A1 ist nicht vorgesehen, während der Elektrophorese eine (Relativ-)Bewegung der Trägerstruktur vorzunehmen.
Wesentlich für die Erfindung ist die Relativbewegung der ersten Elektrode ge- genüber der Trägerstruktur. Welches Element der Vorrichtung hierbei etwa gegenüber der Kammer oder sonstigen Elementen der gesamten Vorrichtung bewegt wird, ist nebensächlich. Es ist möglich, nur die erste Elektrode gegenüber einer in der Kammer fixierten Trägerstruktur oder auch nur die Trägerstruktur gegenüber einer relativ zur Kammer fixierten ersten Elektrode zu bewegen. Zu- dem können auch beide Elemente, Trägerstruktur und erste Elektrode, relativ zueinander und gleichzeitig jeweils relativ zur Kammer bewegt werden.
Wird die Trägerstruktur von einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet, beispielsweise einer elektrisch nicht leitenden, ionendurchlässigen Form oder Membran, so erlaubt dies, Sus- Pensionen auf Wasserbasis einzusetzen, ohne dass ein aufgrund einer Elektrolyse des Wassers an einer Elektrode entstehendes Gas in die abgeschiedene Schicht eingebaut wird. Vorteilhafterweise ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung so gestaltet, dass bei einer elektrolytischen Zersetzung des Dispergiermediums bzw. Suspensionsmittels Wasser entstehende Ionen sowie alle weiteren im Sys- tem vorhandenen freien Ionen das Abscheideelement durchdringen und zur dahinterliegenden Elektrode gelangen können. Die durch eine Rekombination entstehenden Gase treten damit an der Elektrode und nicht am Ort der Abscheidung (dem Abscheideelement) auf. Hierdurch kann in einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung eine wässrige Suspension verwendet werden, denn die Gasblasen werden nicht in den Abscheidekörper eingebaut, so dass keine Fehlstellen in dem Abscheide- beziehungsweise Grünkörper entstehen. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Dentalkeramiken von sehr großem Vorteil. Die Verwendung von Wasser als Suspensionsmittel ist besonders vorteilhaft, da auf Grund der hohen Dielektrizitätskonstante des Wassers hohe und sehr hohe Abscheideraten erzielt werden können, womit sich die Prozessdauer verkürzen lässt.
Die Trägerstruktur kann jedoch auch in bekannter Weise durch die zweite Elektrode gebildet werden, wobei als Elektrodenmaterial auch an sich elektrisch nicht leitende Materialien in Frage kommen, beispielweise Gips, Wachs oder Kunststoff, wenn durch eine geeignete Beschichtung oder Beimengung eine ausrei- chende elektrische Leitfähigkeit der Elektrode erreicht wird.
Die Form der Trägerstruktur kann eben oder konturiert sein. Auf einer ebenen Trägerstruktur kann beispielsweise ein dreidimensionales Freiformgerüst aufgebaut werden. Es ist in diesem Fall nur ein Datensatz erforderlich, der die Elektrodenführung steuert. Liegt eine Trägerstruktur mit einer konturierten Form vor, beispielsweise ein Duplikat eines dentalen Meistermodells, so lassen sich Bereiche verschiedener Schichtstärke durch eine gesteuerte Führung der Relativbewegung entlang eines vorbestimmten Pfades erreichen. Die Form der Trägerstruktur gibt hierbei bereits die Innen- bzw. Außenkontur des zu erzeugenden Grünkörpers bzw. Formkörpers vor. Eine gewünschte Form der Trägerstruktur lässt sich in herkömmlicher Weise zum Beispiel durch Modellieren, Abformen oder aber ein Rapid-Prototyping-Verfahren erzeugen.
Das Material der Elektroden ist vorzugsweise gegen die eingesetzten Suspensionen chemisch resistent bzw. ihnen gegenüber inert. Dies gilt auch für das Material des Abscheideelements. Bevorzugt bestehen die Elektroden aus einem Mate- rial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zink, Titan, Wolfram, Tantal, Graphit, Edelmetall (insbesondere Silber, Gold, Platin), elektrisch leitfähigen Kunststoffen und deren Mischungen. Ferner können die Elektroden einen Elektrodenkern aufweisen, der mit den zuvor genannten Materialien beschichtet ist. Das Material des Elektrodenkerns selbst ist nicht näher von Bedeutung, wenn der Elektrodenkern nicht mit den eingesetzten Suspensionen oder Flüssigkeiten in Kontakt kommen soll. Ist ein solcher Kontakt jedoch vorgesehen, sollte das Material des Elektrodenkerns ebenfalls chemisch resistent bzw. inert sein. Bevorzugt werden die Elektrodenwerkstoffe so ausgewählt, dass eine Kontamination des abgeschiedenen Formkörpers weitestgehend vermieden wird.
Als sehr vorteilhaft hat sich eine Ausführung der Erfindung herausgestellt, bei der die keramischen Partikel eine möglichst runde Form aufweisen.
Darüber hinaus hat sich die Zugabe eines Dispergierhilfsmittels, bevorzugt Tetramethylammoniumhydoxid (TMAH) beziehungsweise Salzsäure (HCl) als vorteilhaft erwiesen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der pH-Wert einstel- len.
Es wird eine Suspension mit einem Wert der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Ö.ÖÖ1 mS/ern und 175 rrtS/crrt bevorzugt insbesondere zwischen 0.1 mS/cm und 75 mS/cm.
Vorteilhaft für die Trocknung des Abscheidekörpers ist eine sogenannte überkritische Trocknung. In der Regel kann der Abscheidekörper jedoch auch einfach bei Raumtemperatur getrocknet werden. Eine weitere, besondere Trocknungsmethode ist das Trocknen in gesättigter Atmosphäre, da dadurch Strukturungenau- igkeiten vermieden werden.
Als vorteilhaft hat sich die Sinterung von Zirkonoxid aufweisenden auf erfindungsgemäße Weise hergestellten Dentalkeramiken in einem Zonensinterofen bei Temperaturen zwischen 1200 °C und 1800 °C, vorzugsweise zwischen größer 1400 °C und 1700 °C erwiesen. Dabei wird eine Geschwindigkeit von 1 bis 15 mm/min, insbesondere 5 bis 12 mm/min, bevorzugt 8 mm/min, eingehalten. Alternativ kann der erzeugte Grünkörper in einem Vakuumsinterofen oder einem Kammersinterofen gesintert werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Trägerstruktur von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet, wobei das Positionierelement das Durchführen einer Relativbewegung entlang eines zweiten vorbestimmten Pfades zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode und/oder dem Abscheidelement ermöglicht.
Wenn nicht nur eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und dem Abscheideelement sondern auch eine weitere Relativbewegung der zweiten Elektrode im Bezug auf die erste Elektrode und/oder das Abscheideelement möglich ist, bestehen zusätzliche Freiheitsgrade in der Gestaltung der Relativbewegungen der Elektroden und des Abscheideelementes zueinander, womit eine größere Flexibilität in den Gestaltungsmöglichkeiten besteht. Ausgehend von einer Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und dem Abscheideelement ist die Vorrichtung entsprechend dieser Ausführungsform beispielsweise dazu ausgestaltet, dass die zweite Elektrode relativ zur ersten Elektrode stillsteht, aber gegenüber dem Abscheideelement bewegt wird. Ein anderes Beispiel ist eine relative Fixierung der zweiten Elektrode gegenüber dem Abscheidelement bei einer Bewegung der zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode. Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass sie eine Bewegung der zweiten Elektrode relativ zu sowohl dem Abscheidelement als auch zu der ersten Elektrode erlaubt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Abscheideelement eine ionenpermeable Membran, insbesondere bestehend aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gips, Polystyrol, PoIy- methylmethacrylat, Polyethersulfon und deren Mischungen.
Es wurde gefunden, dass neben Gips insbesondere die genannten Kunststoffe vorteilhaft als Material für das Abscheideelement eingesetzt werden können. Das Abscheideelement ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend und weist vorzugsweise auch keine halbleitenden Eigenschaften auf. Vorteilhaft ist eine Porengrö- ße im Abscheideelement im Bereich von 10 nm bis 10 μm, bevorzugt 500 nm bis 1 μm, besonders bevorzugt zwischen größer 60 nm und 1 μm . Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Abscheidelement durch das Suspensionsmittel bzw. die anderen im Elektrophoresebetrieb verwendeten Flüssigkeiten benetzbar ist. Der Kontaktwinkel zwischen Abscheideelement und beispiels- weise Wasser ist dementsprechend vorteilhafterweise kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 80°. Wenn die hier genannten Kriterien erfüllt sind, können gegebenenfalls auch andere Materialien für das Abscheideelement verwendet werden. Es wurde gefunden, dass das Material bekannter Dialyseschläuche für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Trägerstruktur von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet, wobei die Kammer wenigstens zwei durch das Abscheideelement getrennte Teilkammern besitzt, wobei die erste Elektrode einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode einer zweiten Teilkammer zugeordnet und zumindest die erste oder die zweite Teilkammer zur Aufnahme der Suspension vorgesehen ist.
In einer entsprechenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems wird die Trägerstruktur von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet, wobei die Kammer im Be- triebszustand wenigstens zwei durch das Abscheideelement getrennte Teilkammern besitzt, wobei die erste Elektrode einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode einer zweiten Teilkammer zugeordnet ist und zumindest die erste oder die zweite Teilkammer die Suspension enthält. Insbesondere wird bevorzugt, dass die andere der besagten Teilkammern im Betriebszustand eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit als Ausgleichsflüssigkeit enthält. Die Werte der elektrischen Leitfähigkeit der Suspension bzw. der Ausgleichsflüssigkeit liegen hierbei vorteilhafterweise jeweils zwischen 0,001 mS/cm und 175 mS/cm, bevorzugt zwischen 0,1 mS/cm und 75 mS/cm. Zudem wird bevorzugt, wenn das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit von Suspension zu Ausgleichsflüssigkeit im Bereich von 0,02 bis 50, insbesondere von 0,02 bis 1 , liegt. Sind die elektrischen Leitfähigkeiten von Suspension und Ausgleichsflüssigkeit gleich oder im wesentlichen gleich, so ergibt sich vorteilhafterweise eine gleiche oder im wesentlichen gleiche Verteilung des elektrischen Stroms in Suspension und Ausgleichsflüssigkeit mit gleichen oder im wesentlichen gleichen Stromdichten in Suspension und Ausgleichsflüssigkeit.
Durch das elektrische Feld werden im Betrieb die Partikel in bekannter Weise dazu veranlasst, in eine gewünschte bzw. bestimmte Richtung zu wandern, womit die elektrophoretische Abscheidung erreicht wird. Wird nun erfindungsgemäß ein Abscheideelement vorgesehen, dass zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, so werden die abscheidbaren Partikel im Betrieb von einer der Elektroden abgestoßen und zu der anderen hingezogen, wobei Partikel auf das Abscheidelement treffen. Partikel, die sich zwischen der anziehenden Elektrode und dem Abscheideelement befinden, bewegen sich allerdings in Richtung der anziehenden Elektrode und werden in keinem Fall das Abscheideelement erreichen, sie können somit dort auch nicht abgeschieden werden. Wird nun die Kammer durch das Abscheidelement in wenigstens zwei Teilkammern geteilt, in denen im Betrieb jeweils eine der Elektroden angeordnet ist, so reicht es aus, erfindungsgemäß vorzusehen, in nur eine Teilkammer eine Suspension zu geben, nämlich in die Teilkammer, deren Partikel von der zugeordneten Elektrode abgestoßen werden. Erfindungsgemäß kann die Kammer auch durch ein Abscheideelement in Teilkammern geteilt werden, welches beispielsweise die Form eines Bechers hat. Hierbei umfasst die eine Teilkammer das Innere des Bechers und die andere Teilkammer wird von dem Bereich der Kammer außerhalb des Bechers gebildet. Ein Beispiel einer solchen Aufteilung findet sich in DE 103 20 936 A1.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine oder sind beide der Elektroden mit einem Mittel zur Abschirmung und/oder Bündelung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden versehen.
Durch die Abschirmung bzw. Bündelung des elektrischen Feldes der Elektrode bzw. Elektroden kann im Betrieb eine ortsselektive und gezielte Abscheidung der Partikel auf der Trägerstruktur erreicht werden. Durch die Abschirmung bzw. Bündelung kann das im Betrieb zwischen den Elektroden aufgebaute Feld auf einen definierten Ausschnitt der Oberfläche der Trägerstruktur beschränkt werden bzw. kann die Feldstärke in Bereichen außerhalb dieses definierten Ausschnitts auf einen gewünschten Wert reduziert werden, so dass aufgrund dieser Feldanordnung nur oder im wesentlichen nur in diesem Oberflächenausschnitt Partikel abgeschieden werden. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß mit der Relativbewegung entlang des vorbestimmten Pfades gleichsam wie mit einem „elektrophoretischen" Pinsel die Oberfläche der Trägerstruktur bestrichen werden, wobei beispielsweise durch die Feldstärke und die Verweilzeit die Stärke bzw. Dicke der angeschiedenen Schicht eingestellt werden kann. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann durch Variation der die Abscheidung bestimmenden Parameter infolge der lokalen Abscheidebedingungen eine lokale Variation der Dichte des abgeschiedenen Formkörpers erreicht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine oder sind beide Elektroden aus einem mit einer Abschirmung umgebenen Leitungselement gebildet, wobei sich die Abschirmung weiter als das Leitungselement in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode erstreckt.
Es wurde gefunden, dass durch die Ausbildung wenigstens einer Elektrode mit einer koaxialen Abschirmung ein örtlich eng begrenztes elektrisches Feld eingestellt werden kann. Eine derartige örtliche Eingrenzung konnte in anderen Anordnungen zur elektrophoretischen Abscheidung bisher nicht erreicht werden. Somit ist erfindungsgemäß eine deutliche Verbesserung der lokalen Abscheideeffizienz und Variierbarkeit der lokalen Abscheidebedingungen möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzen eine oder beide der Elektroden eine Punktspitze.
Das elektrische Feld einer Punktspitze ist gut lokalisiert. Insbesondere bei zwei gegenüberliegenden Elektroden in Form einer Punktspitze lässt sich ein symmet- risches Feld erzeugen, wodurch die Steuerung der elektrophoretischen Abscheidung vereinfacht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt eine der Elektroden eine Punktspitze und die andere der Elektroden eine im Querschnitt kreisbogen- förmige Oberfläche, vorzugsweise eine Oberfläche in Form einer Kugelzone oder einer Kugelkalotte.
Mit einer derartigen Elektrodenanordnung lässt sich ein symmetrisches elektrisches Feld mit einer weitgehend gleichmäßigen Feldverteilung erzeugen. Dies erlaubt eine vereinfachte Planung der Bewegung der Elektrode zur Erzeugung einer gewünschten Abscheidungsschicht bzw. eines Formkörpers mit gewünschter Geometrie.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzen die Oberflächen der Elektroden jeweils einander gegenüberliegende Teilflächen mit parallelen Flächennormalen.
Eine derartige Elektrodenanordnung erlaubt eine Erzeugung eines besonders gleichmäßigen elektrischen Feldes, wie es sich beispielsweise auch zwischen den Elektroden eines Plattenkondensators ausbildet. So kann erfindungsgemäß auf einfache Weise eine besonders kontrollierte Abscheidung vorgenommen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannungsquelle ausgestaltet, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder eine von einer Wechselspannung überlagerte konstante oder gepulste Gleichspannung zu erzeugen.
Eine konstante bzw. gepulste Gleichspannung kann auf besonders einfache Weise erzeugt werden. Auch eine Überlagerung einer solchen Spannung mit einer Wechselspannung stellt keine hohen apparativen Anforderungen. Es wurde gefunden, dass mit einer mit einer Wechselspannung überlagerten Gleichspan- nung eine erhöhte Abscheidungsdichte des Formkörpers erreicht werden kann. Bevorzugt wird hierbei, dass das Ergebnis der Überlagerung keine Vorzeichenwechsel zeigt, da sich ansonsten auch die Triebkraft für die elektrophoretische Abscheidung umkehrt. Es ist nicht nötig, dass die Gleichspannung bei Durchfüh- rung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in jedem Fall einen konstanten Wert über die gesamte Betriebszeit aufweist. Eine Spannung kann in diesem Zusammenhang bereits als konstant angesehen werden, wenn die Spannung für einen Zeitraum von zumindest 10 Sekunden, vorzugsweise zumindest 1 Minute konstant bleibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine der Kammer zugeordnete dritte Elektrode auf, wobei die Spannungsquelle ausgestaltet ist, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder eine von einer Wechselspannung überlagerte konstante oder gepulste Gleichspannung zwischen der dritten Elektrode und der ersten und/oder zweiten Elekt- rode zu erzeugen.
Die Elektrodenanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit nicht auf nur zwei Elektroden beschränkt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, eine oder mehrere weitere Elektroden der Kammer zuzuordnen, wobei im Betrieb das zwischen der ersten und zwei Elektrode aufgebaute Feld von einem oder mehre- ren weiteren Feldern überlagert wird, das bzw. die von der bzw. den zusätzliche^) Elektrode(n) herrühren. So lässt sich die elektrophoretische Abscheidung variabler steuern. Die obigen Ausführungen zu möglichen und bevorzugten Ausgestaltungen der ersten bzw. zweiten Elektrode gelten auch für eine dritte oder weitere Elektroden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest eine der möglichen Relativbewegungen eine Bewegung in wenigstens zwei Raumrichtungen, vorzugsweise in drei Raumrichtungen, und/oder eine Drehung umfasst.
Eine besonders große Gestaltungsfreiheit wird erreicht, wenn die Elektroden gegeneinander bzw. eine Elektrode gegenüber der Trägerstruktur eine Bewe- gung in zumindest einer Ebene, besser noch im Raum ausführen können, wobei auch Drehungen der Elemente um eine eigene Achse und/oder relativ zu einem anderen Element möglich sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum Anordnen der ersten Elektrode im wesentlichen vertikal über oder unter der zweiten Elektrode vorgesehen.
Durch eine solche Ausgestaltung wird es ermöglicht, dass im Betrieb eine Bewegung der abzuscheidenden Partikel in der Suspension in Richtung der Erdanziehung oder entgegen der Schwerkraft erfolgt. Es wurde gefunden, dass in überra- sehender Weise bei einer Bewegung der Partikel bei der Abscheidung entgegengesetzt zur Erdanziehung eine erhöhte Dichte des Abscheidekörpers bzw. Formkörpers erreicht werden kann. Eine mögliche Erklärung hierfür kann darin liegen, dass sich in der Suspension, insbesondere in einer schlecht dispergierten Suspension, größere Agglomerate der Partikel bilden können, die infolge der Schwerkraft unabhängig von dem herrschenden elektrischen Feld nach unten sinken. Erfolgt die elektrophoretische Abscheidung entgegen der Richtung der Schwerkraft, werden somit bevorzugt die Partikel abgeschieden, die sich (noch) nicht zu Agglomeraten zusammengefunden haben. Andererseits kann durch ein elektrophoretisches Abscheiden in Richtung der Erdanziehung ein schnellerer Schichtaufbau erreicht werden, wenn die Schwerkraft mit dem elektrischen Feld zusammenwirkt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste Elektrode und/oder die Trägerstruktur während des elektrophoretischen Abschei- dens so relativ zueinander bewegt, dass die lokalen Abscheidebedingungen im wesentlichen durch die Relativbewegung bestimmt werden.
In einen inhomogenen Feld kann eine Variation der Feldstärke an der Oberfläche der Trägerstruktur nicht nur durch eine globale Veränderung des Feldes infolge einer geänderten Potentialdifferenz, sondern auf einfache Weise durch eine unterschiedliche Positionierung des Trägerstruktur im Feld erreicht werden. Eine solche unterschiedliche Positionierung wird durch eine Relativbewegung geleistet. Insbesondere bei einem gebündelten oder abgeschirmten Feld werden durch eine Relativbewegung der Trägerstruktur gegenüber der entsprechenden Elektrode bestimmte Oberflächenbereiche der Trägerstruktur zu unterschiedlichen Zeiten dem elektrischen Feld ausgesetzt, wobei infolge des lokal wirkenden elektrischen Feldes eine (lokale) elektrophoretische Abscheidung von Partikeln erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist die Suspension ein organisches Suspensionsmittel (Dispersionsmittel) auf.
Ein organisches Suspensionsmittel kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn höchste Ansprüche an die Strukturierbarkeit des abzuscheidenden Materials gestellt werden und eine hohe Abscheiderate von untergeordneter Bedeutung ist. Es wurde gefunden, dass bei organischen Suspensionsmitteln im Vergleich zu wässrigen Suspensionen größere Feldgradienten möglich sind. Der Grund hierfür liegt möglicherweise in der geringeren elektrischen Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten. Die größeren Feldgradienten, d.h. der Einsatz organischer Dispersionsmittel, erlauben eine gezieltere Modellierung des Abscheidekörpers. Als organische, nichtwässrige Dispersionsmittel können beispielsweise Ethanol oder dielektrische Flüssigkeiten (z.B. Kohlenwasserstoffe) eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist die Suspension Wasser als Suspensionsmittel (Dispersionsmittel) auf.
Die Verwendung von Wasser als Suspensionsmittel bietet, vermutlich aufgrund einer im Vergleich zu organischen Suspensionsmitteln höheren Dielektrizi- tätskonstante, die Möglichkeit, sehr hohe Abscheideraten zu erzielen, was die Prozessdauer verkürzt und den Durchsatz erhöht. Hierbei wird deionisiertes Wasser bevorzugt, insbesondere destilliertes Wasser, wobei bidestilliertes Wasser besonders bevorzugt wird. Erfindungsgemäß liegen typische Abscheideraten im Bereich von 0,05 mm/min bis 10 mm/min, insbesondere bei wässrigen Suspensionen im Bereich von 0,5 bis 2 mm/min. Im allgemeinen ist die Abscheiderate bei organischen Suspensionsmitteln um einen Faktor 10 bis 100 niedriger als in wässrigen Suspensionen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung,
Fig. 6 eine Elektrodenanordnung gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung,
Fig. 7 eine Elektrodenanordnung gemäß einem siebten Aspekt der Erfin- düng,
Fig. 8 eine Elektrodenanordnung gemäß einem achten Aspekt der Erfindung, Fig. 9 eine Elektrodenanordnung gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung und
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Einander entsprechende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen Verwendung finden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung 101 umfasst eine Kammer 103 zur Aufnahme einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel, eine in der Kammer 103 beweglich angeordnete erste Elektrode 105, eine in der Kammer angeordnete ortsfeste zweite Elektrode 107 als Trägerstruktur 107, eine Spannungsquelle 109 und ein Positionierelement 1 11 für die erste Elektrode 105. In der Kammer 103 befindet sich die Suspension 113, die elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 in einem organischen Lösungsmittel beinhaltet. In der schematische Darstellung von Fig. 1 ist bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 117 der Partikel auf der zweiten Elektrode 107 dargestellt. Die erste und zweite Elektrode 105, 107 befinden sich in der Suspension 113 bzw. tauchen in diese ein. Das in Fig. 1 dargestellte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 101 und die Suspension 1 13.
Die Wandung der Kammer 103 besteht aus einem nicht porösen, elektrisch nicht leitenden, chemisch resistenten Material. Insbesondere Kunststoffe, bevorzugt Polycarbonat (PC) und besonders bevorzugt Polymethylmethacrylat (PMMA) eignen sich als Material für die Wandung der Kammer 103. Ein anderes geeignetes Material ist Glas.
Mit Hilfe der regelbaren Spannungsquelle 109 kann eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 105 und der zweiten Elektrode 107 aufgebaut wer- den. Das dabei entstehende elektrische Feld (nicht gezeigt) veranlasst Partikel 1 15 in der Suspension 1 13, in Richtung der zweiten Elektrode 107 zu wandern, wo diese Partikel dann eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht bilden. Auf die Einzelheiten der elektrophoretischen Abscheidung selbst und der Hintergrün- de hierzu wird hier nicht näher eingegangen, da der Fachmann mit dem grundsätzlichen Verfahren einer elektrophoretischen Abscheidung ausreichend vertraut ist. Für weitere Einzelheiten zur elektrophoretischen Abscheidung wird zudem auf den oben angeführten Stand der Technik verwiesen.
Die Spannungsquelle ist hier als regelbar dargestellt, es ist jedoch auch möglich eine Gleichspannungsquelle für eine konstante Gleichspannung oder eine andere geeignete Spannungsquelle einzusetzen. Die Polung der Spannungsquelle ist in diesem Zusammenhang von Bedeutung, da eine elektrophoretische Abscheidung sowohl in Richtung einer Kathode als auch in Richtung einer Anode möglich ist.
Das Positionierelement 11 1 ist ausgestaltet, um eine Bewegung der ersten Elektrode 105 entlang eines vorbestimmten Pfades zu ermöglichen und zu steuern. Wie in Fig. 1 angedeutet, kann mittels des Positionierelements 1 11 die erste Elektrode 105 in den drei Raumrichtungen bewegt und entsprechend positioniert werden. Zudem ist eine Änderung der Orientierung der Elektrode 105 mittels des Positionierelementes 11 1 möglich. Wird beispielsweise eine Elektrode mit einer Punktspitze verwendet, so kann diese Elektrode unterschiedlich im Raum ausgerichtet sein, also eine gewisse Orientierung aufweisen. Wird zudem eine Abschirmung bei der Elektrode verwendet, so geht das von dieser Elektrode ausgehende elektrische Feld zunächst von der Elektrode aus in eine durch die Ab- schirmung bestimmte Richtung, so dass es vorteilhaft ist, durch Änderung der Orientierung der Elektrode diese Richtung an die gewünschten Verhältnisse anzupassen. Auch eine flache Platte als Elektrode kann orientiert sein, sie kann beispielsweise einer anderen Elektrode ihre Fläche oder eine Kante zuwenden.
Das Positionierelement ist in Fig. 1 im Bereich der Kammer 103 und der Suspen- sion 113 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, das Positionierelement außer- halb der Suspension oder außerhalb der Kammer vorzusehen, wobei sich gegebenenfalls nur die erste Elektrode 105 in der Suspension befindet bzw. in diese eintaucht, nicht aber das Positionierelement. Es kann zudem vorgesehen sein, zur Steuerung des Positionierelementes eines getrennte Steuereinheit, bei- spielsweise einen Computer, vorzusehen, über die die Positioniereinheit und somit die Bewegung und Position de ersten Elektrode gesteuert werden kann.
Die erste Elektrode 105 besitzt eine Punktspitze, die in gewünschter Weise an der die Suspension kontaktierende Fläche der zweiten Elektrode 107 entlanggeführt werden kann. Hierbei wird durch das Positionierelement 1 11 sowohl die relative Orientierung als auch der Abstand der ersten Elektrode 105 zur zweiten Elektrode 107 bestimmt. Da die zweite Elektrode in der Kammer ortsfest angeordnet ist (Fixierungsmittel nicht dargestellt), ergibt sich mit einer Bewegung der ersten Elektrode 105 ohne weiteres eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode 105 und der zweiten Elektrode 107, die hier die Funktion einer Träger- struktur wahrnimmt. Die zweite Elektrode 107 besteht in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus einem Gipsmodell, das in geeigneter Weise für die Verwendung als Elektrode vorbereitet wurde. Beispielsweise kann eine elektrisch leitende Lackierung oder Beschichtung des Modells vorgesehen oder bei der Herstellung des Modells ein elektrisch leitendes Material in ausreichender Menge dem Gips beigefügt worden sein.
Wird die erste Elektrode 105 in einem bestimmten Abstand und einer bestimmten Orientierung zur zweiten Elektrode 107 positioniert, so werden infolge des zwischen der ersten und zweiten Elektrode 105, 107 aufgebauten elektrischen Feldes auf der zweiten Elektrode 107 Partikel 115 aus der Suspension 113 abge- schieden. Diese Abscheidung von Partikel erfolgt aufgrund der Elektrodenanordnung nur in einem bestimmten Bereich auf zweiten Elektrode 107 bzw. einer bereits auf der zweiten Elektrode 107 abgeschiedenen Schicht. Wird nun die erste Elektrode 105 bewegt, so wird damit auch der Bereich, in dem abgeschieden wird, über die zweite Elektrode bewegt. So kann nach und nach ein großer Oberflächenbereich der zweiten Elektrode 107 mit einer Schicht aus elektropho- retisch abgeschiedenen Partikeln belegt werden, wobei die Schichtdicke insbe- sondere von den Abscheidungsparametern Feldstärke (insbesondere an der Oberfläche, auf die abgeschieden wird) und (Elektroden-)Verweilzeit bzw. Bewegungsgeschwindigkeit abhängt. Die Feldstärke kann hierbei beispielsweise wiederum über die Spannung oder über den Elektrodenabstand eingestellt werden.
Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass die die Trägerstruktur bildende zweite Elektrode bewegt oder dass beide Elektroden bewegt werden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung 201 entspricht weitgehend der oben beschriebenen Vorrichtung aus Fig. 1. Die Vorrichtung 201 umfasst wie jene eine Kammer 103 zur Aufnahme einer Suspension mit elektrophoretisch abscheidbaren Partikeln, eine in der Kammer 103 angeordnete bewegliche erste Elektrode 105, eine Spannungsquelle 109 und ein Positionierelement 11 1 für die erste Elektrode 105. In der Kammer 103 befindet sich die Suspension 213, die elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 mit Wasser als Suspensionsmittel beinhaltet. Die erste Elektrode 105 befindet sich in der Suspension 213. Abweichend von der oben beschriebenen Vorrichtung entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung besitzt die Vorrichtung 201 ein Abscheideelement 219, das in die Suspension 213 eintaucht und die Kammer 103 in zwei Teilkammern teilt. Die erste Teilkammer enthält die Suspension 213 und die zweite Teilkammer enthält eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221. Während die erste Elektrode 105 in der Suspension 213 und damit in der ersten Teilkammer angeordnet ist, befindet sich die ortsfeste zweite Elektrode in der zweiten Teilkammer und in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221. Das Abscheideelement 219 besteht aus Polyethersulfon und weist eine Porengröße im Bereich von 60nm bis 1 μm auf. In der schematischen Darstellung von Fig. 2 ist ebenfalls bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 1 17 der Partikel dargestellt, die sich hier auf der äußeren, der Suspension 213 bzw. der ersten Elektrode 105 zugewandten Oberfläche des Abscheideelementes 219 befindet. Die Form der zweiten Elektrode 207 ist an die Form des Abscheidelementes 219 angepasst, jedoch kann auch eine beliebige andere Form für die zweite Elektrode vorgesehen sein. Das in Fig. 2 gezeigte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 201 und die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221.
Der Unterschied zwischen den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Systemen be- steht abgesehen von der Verwendung von Wasser bzw. einer organischen Verbindung als Suspensionsmittel darin, dass vorgesehen ist, nicht auf einer Elektrode selbst sondern auf einem Abscheideelement 219 elektrophoretisch abzuscheiden. So kann vermieden werden, dass bei einer elektrolytischen Zersetzung des Suspensionsmittels (hier: Wasser) entstehende Gase in Form von Gasbla- sen in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden, wodurch unerwünschte Fehlstellen im Schichtaufbau entstehen könnten.
Es kann alternativ oder ergänzend vorgesehen werden, dass das Abscheideelement 219 nicht wie in Fig. 2 dargestellt ortfest angeordnet ist, sondern dass das Abscheideelement mittels eines Positionierelementes beweglich angeordnet ist. Bei einer beweglichen Anordnung des Abscheideelementes kann gegebenenfalls darauf verzichtet werden, die erste Elektrode als beweglich vorzusehen, da auch so eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und dem Abscheideelement erreicht werden kann.
Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung 301 entspricht weitgehend der oben beschriebenen Vorrichtung aus Fig. 2. Die Vorrichtung 301 umfasst wie jene eine Kammer 103 zur Aufnahme einer Suspension mit elektrophoretisch abscheidbaren Partikeln, eine in der Kammer 103 angeordnete bewegliche erste Elektrode 105, eine Spannungsquel- Ie 109 und ein Positionierelement 1 11 a für die erste Elektrode 105. In der Kammer 103 befindet sich die Suspension 213, die elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 mit Wasser als Suspensionsmittel beinhaltet. Die erste Elektrode 105 befindet sich in der Suspension 213. Abweichend von der oben beschriebenen Vorrichtung entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung und entspre- chend der zuvor beschriebenen Vorrichtung entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung besitzt die Vorrichtung 301 ein Abscheideelement 219, das in die Suspension 213 eintaucht und die Kammer 103 in zwei Teilkammern teilt. Die erste Teilkammer enthält die Suspension 213 und die zweite Teilkammer enthält eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221. Während die erste Elektrode 105 in der Suspension 213 und damit in der ersten Teilkammer angeordnet ist, befindet sich die abweichend von Fig. 2 bewegliche zweite Elektrode 307 in der zweiten Teilkammer und in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221. Zur Ermöglichung und Steuerung einer Bewegung der zweiten Elektrode 307 weist die Vorrichtung 301 ein Positionierelement 11 1 b auf. Auch wenn die Positionierelemente 1 11 a und 1 11 b getrennt dargestellt sind, können sie sowohl einzeln vorgesehen sein als auch in einem einzigen Positionierelement 1 11 kombiniert sein. In der schematischen Darstellung von Fig. 3 ist ebenfalls bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 117 der Partikel dargestellt, die sich hier auf der äußeren, der Suspension 213 bzw. der ersten Elektrode 105 zugewandten Oberfläche des Abscheideelementes 219 befindet. Zudem umfasst die Vorrichtung 301 einen Deckel 323, der die Kammer 103 abschließt und somit verhindert, dass Verunreinigungen von außerhalb der Kammer 103 in die Suspension 213 oder die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221 gelangen. Das in Fig. 3 gezeigte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 301 und die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221. Das in Fig. 3 gezeigte System arbeitet im Betrieb ähnlich zu dem in Fig. 2 gezeigten, wobei in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zusätzlich die zweite Elektrode bewegt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung 401 umfasst eine Kammer 103, ein ortfest angeordnetes Abscheideelement 219 als Trägerstruktur, das die Kammer 103 in eine erste Teilkammer zur Aufnahme einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel und eine zweite Teilkammer zur Aufnahme einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit trennt, eine in der ersten Teilkammer beweglich angeordnete erste Elekt- rode 405, eine in der zweiten Teilkammer angeordnete ortsfeste zweite Elektrode 407, eine in der ersten Teilkammer ortsfest angeordnete dritte Elektrode 425, eine Spannungsquelle 409 und ein Positionierelement 11 1 für die erste Elektrode 405. In der ersten Teilkammer befindet sich die Suspension 213, die elektropho- retisch abscheidbare Partikel 1 15 mit Wasser als Suspensionsmittel enthält. Die erste Elektrode 405 und die dritte Elektrode 425 befinden sich in der Suspension 213 bzw. tauchen in diese ein. In der zweiten Teilkammer befindet sich die elekt- risch leitfähige Flüssigkeit 221. Die zweite Elektrode 407 taucht in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221 ein.
Die erste Elektrode 405 ist als eine flache, plattenförmige Elektrode ausgestaltet, die in einem festgelegten Abstand parallel zu dem ebenfalls flachen Abscheidelement 219 mittels des Positionierelementes 1 11 verfahren werden kann. Die erste Elektrode 405 befindet sich zwischen dem Abscheidelement und der dritten Elektrode 425, die ebenfalls als eine flächige Platte ausgestaltet ist. Die Fläche der dritten Elektrode 425 entspricht annährend der des Abscheideelementes 219, während die Fläche der ersten Elektrode 405 wesentlich kleiner ist. Auf der aus Sicht der ersten Elektrode 405 gegenüberliegenden Seite des Abscheideelemen- tes 219 befindet sich die zweite Elektrode 407, die wie die dritte Elektrode als eine flächige Platte in einer dem Abscheideelement 219 im wesentlichen entsprechenden Größe ausgestaltet ist.
Die Spannungsquelle 409 besitzt Teilspannungsquellen 409a, 409b und 409c. Die Teilspannungsquelle 409a ist eine regelbare Gleichspannungsquelle und dient dazu, eine Gleichspannung zwischen der zweiten Elektrode 407 und der dritten Elektrode 425 aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Diese Gleichspannung resultiert in einem elektrischen Feld zwischen der zweiten Elektrode 407 und der dritten Elektrode 425. Die Teilspannungsquelle 409c ist dazu vorgesehen, eine Gleichspannung zwischen der ersten Elektrode 405 und der zweiten Elektrode 407 aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Diese Gleichspannung wird im Betrieb von einer von der Teilspannungsquelle 409b erzeugten Wechselspannung überlagert. Das infolge der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 405 und der zweiten Elektrode 407 aufgebaute elektrische Feld überlagert sich mit dem zwischen der dritten Elektrode 425 und der zweiten Elektrode 407. Entsprechend des Ergebnisses dieser Überlagerung erfolgt eine elektrophoretische Abscheidung von Partikeln 115 aus der Suspension 213 auf dem Abscheideelement 219. Durch eine Bewegung der ersten Elektrode kann diese Abscheidung an verschiedenen Stellen des Abscheideelementes 219 unterschiedlich eingestellt werden.
Das in Fig. 4 dargestellte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 401 und die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221.
Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung. Das in Fig. 5 gezeigte erfindungsgemäße System mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 501 entspricht weitestgehend dem in Fig. 4 gezeigten. Ein Unter- schied besteht darin, dass die Vorrichtung 501 so ausgestaltet ist, dass die Kammer 503 durch das Abscheidelement 219 in ein obere und eine untere Teilkammer geteilt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 405 vertikal unter der zweiten Elektrode 407 angeordnet, womit im Betrieb die elektrophoretische Abscheidung entgegen einer Schwerkraftwirkung auf die Partikel 1 15 erfolgt. Es sind geeignete Maßnahmen getroffen (hier nicht gezeigt), um sicherzustellen, dass die Suspension 213 im gewünschten Abscheidebereich mit dem Abscheideelement 219 in Kontakt steht.
Bei den folgenden Ausführungsbeispielen von Elektrodenanordnungen wurde zur besseren Übersichtlichkeit davon abgesehen, Spannungsquellen, Suspensionen oder Positionierelemente darzustellen.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung. Eine erste Elektrode 105 ist beweglich in der Nähe einer ortfesten zweiten Elektrode 107 angeordnet und besitzt eine Punktspitze. Die erste Elektrode 105 bzw. deren Spitze kann einem vorbestimmten Pfad 627 folgen, der hier so gewählt wurde, dass er der Oberflächenkontur der zweiten Elektrode 107 folgt. Zudem kann die Neigung der ersten Elektrode 105 geändert werden, so dass sie beispielsweise während der Bewegung entlang des Pfades 627 senkrecht zu dem jeweils ihr am nächsten liegenden Oberflächenelement der Oberfläche der zweiten Elektrode 107 ausgerichtet ist. Fig. 7 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung. Eine erste Elektrode 105 und eine zweite Elektrode 307 sind beweglich auf gegenüberliegenden Seiten eines Abscheideelementes 219 angeordnet. Die Elektroden 105, 307 besitzen jeweils eine Punktspitze und sind so angeordnet, dass sie jeweils einem ersten vorbestimmten Pfad 627 bzw. einem zweiten vorbestimmten Pfad 729 folgen können. Hierbei können die Orientierungen der Elektroden so angepasst werden, dass sie entlang einer verlängerten Linie zwischen ihren Spitzen verlaufen, wobei vorgesehen werden kann, dass diese Linie beim Durchlaufen der Pfade 627 bzw. 729 jeweils senkrecht auf der Oberfläche des als dünne Membran ausgestalteten Abscheidelementes 219 steht.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem achten Aspekt der Erfindung. Ein planes Abscheideelement 219 ist zwischen einer beweglich angeordneten ersten Elektrode 105 mit einer Punktspitze und einer beweglich angeordneten zweiten Elektrode 807 angeordnet. Die erste Elektrode 105 und die zweite Elektrode 807 sind miteinander so gekoppelt, dass sie jeweils eine synchrone Bewegung durchführen. Die erste Elektrode 105 bzw. die zweite Elektrode 807 kann sich also jeweils relativ zum Abscheideelement 219 bewegen, bleibt dabei allerdings relativ zur jeweils anderen Elektrode unbewegt. Die zweite Elektrode 807 weist zur ersten Elektrode 105 hin einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf, wobei sich die Spitze der ersten Elektrode 105 im Mittelpunkt des zugehörigen Kreises befindet. Auf diese Weise kann ein symmetrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem neunten As- pekt der Erfindung. Eine erste Elektrode 905 ist ortsfest nahe einer zweiten Elektrode 907 angeordnet. Die erste Elektrode 905 ist koaxial abgeschirmt und um- fasst ein Leitungselement 933, dass von einer Isolierung 935 umgeben ist. Die Isolierung 935 ist ihrerseits von einem Abschirmungselement 937 umgeben. Die Isolierung 935 und das Abschirmungselement 937 erstrecken sich weiter als das Leitungselement 933 in Richtung der zweiten Elektrode 907. Das Abschirmungselement 937 weist hierbei das Potential der zweiten Elektrode 907 auf. Die zweite Elektrode 907 ist hier als Trägerstruktur vorgesehen und besitzt als Außenkontur eine gewünschte Innenkontur eines herzustellenden (hier: dentalen) Formkörpers. Die zweite Elektrode 907 ist in allen Raumrichtungen beweglich angeordnet und kann gegenüber der ersten Elektrode 905 geneigt werden, so dass das im Betrieb zwischen der ersten Elektrode 905 und der zweiten Elektrode 907 auftretenden elektrische Feld stets senkrecht auf der Oberfläche der zweiten Elektrode steht.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird die Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel bereitgestellt (Schritt 50) und eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode erzeugt, beispielsweise in einem System wie oben beschrieben (Schritt 52). Daran schließt sich ein elektrophoretisches Abscheiden von Partikeln aus der Suspension auf einer Trägerstruktur an (Schritt 54). Diese Trägerstruktur kann von der zweiten Elektrode oder von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet werden. Zeitgleich zu dem elektrophoretischen Abscheiden (Schritt 54) erfolgt einer der Schritte 56 oder 62.
Schritt 56 besteht darin, dass die erste Elektrode und die Trägerstruktur relativ zueinander bewegt werden. Hierbei können entweder die erste Elektrode oder die Trägerstruktur oder sowohl die erste Elektrode als auch die Trägerstruktur bewegt werden. Ergänzend zu Schritt 56 kann bei Ausgestaltungen, bei denen ein Abscheideelement als Trägerstruktur zwischen der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen ist, zeitgleich mit Schritt 56 Schritt 58 und/oder Schritt 60 ausgeführt werden.
Schritt 58 besteht darin, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode relativ zueinander bewegt werden. Hierbei können entweder die erste Elektrode oder die zweite Elektrode oder sowohl die erste als auch die zweite Elektrode bewegt werden. Schritt 60 besteht darin, dass die zweite Elektrode und das Abscheideelement relativ zueinander bewegt werden. Hierbei können entweder die zweite Elektrode oder das Abscheideelement oder sowohl die zweite Elektrode als auch das Abscheideelement bewegt werden.
Mit den Schritten 56 bis 60 sind alle relativen Bewegungsmöglichkeiten abgedeckt, bei denen eine relative Bewegung zwischen der ersten Elektrode und der Trägerstruktur stattfinden. Der Fall einer Relativbewegung zwischen der Trägerstruktur und der zweiten Elektrode ohne eine Relativbewegung zwischen der Trägerstruktur und der ersten Elektrode ist hiervon nur scheinbar nicht erfasst, da in einem solchen Fall die Bezeichnungen der erste und die zweite Elektrode zu tauschen sind.
Schritt 62 besteht darin, dass die relativen Positionen von erster Elektrode und Trägerstruktur beibehalten werden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst wenigstens eine Ausführung des Schrittes 56.
An Schritt 54 und 56 bzw. 62 kann sich eine Wiederholung dieser Schritte (54-62) anschließen, bis die elektrophoretische Abscheidung abgeschlossen ist.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass weitere Schritte parallel zur elektrophore- tischen Abscheidung stattfinden, bei denen beispielsweise eine dritte Elektrode bewegt wird.
Weitere (zusammenfassende) Erläuterungen und Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung - wie vorstehend und nachfolgend beschrieben - betrifft ein Verfahren zur Herstellung strukturierter keramischer, metallischer oder metallkeramischer Formkörper bzw. Grünkörper beschrieben, die nach einer geeigneten Sinterung beispielsweise im dentalen Bereich eingesetzt werden können. Keramische oder metallische Partikel werden erfindungsgemäß mittels Elektrophore- se (EPD) aus einer Suspension mit Hilfe einer (relativ zur Abscheidungsfläche) beweglichen Elektrode bzw. beweglicher Elektroden lokal abgeschieden, wobei ein örtlicher Aufbau durch eine Abschirmung/Bündelung des elektrischen Feldes (z.B. durch den Elektrodendurchmesser, den Elektrodenabstand oder eine koaxi- ale Abschirmung) eingestellt werden kann. Eine Führung der Elektrode bzw. der Elektroden entlang einer Trägerstruktur (beispielsweise einer porösen Form/Membran oder der Gegenelektrode) unterliegt der Steuerung durch Daten, welche die gewünschte Konfiguration des Formkörpers repräsentieren. Damit steht ein elektrophoretisches Verfahren zur ortsaufgelösten Herstellung kerami- scher bzw. metallischer Form- oder Grünkörper zur Verfügung
Die Bildung der Form- bzw. Grünkörper erfolgt erfindungsgemäß durch elektro- phoretische Abscheidung von dispergierten Keramik- und/ oder Metall pulvern aus Suspensionen auf einen Träger. Dabei kann es sich um einen elektrisch leitenden bzw. leitend gemachten Grundkörper oder aber um eine ionenpermeable Membran, die zwischen den Elektroden angeordnet ist, handeln. Mittels der Struktur der Träger aber auch durch die 3-dimensional beweglich angeordneten Elektroden kann erfindungsgemäß in Abhängigkeit von dem lokal wirksamen elektrischen Feld die Form bzw. die lokal aufgebrachte Schichtstärke des abgeschiedenen Grünkörpers bestimmt werden. Das lokale elektrische Feld ergibt sich aus der an den Elektroden angelegten elektrischen Spannung, den Elektrodengeometrien (Durchmesser, Abstand), der koaxialen Abschirmung (bzw. der Bündelung) und den dielektrischen Eigenschaften der Suspension. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen den Elektroden eine Gleichspannung angelegt. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann die Gleichspannung gepulst oder der angelegten Gleichspannung UDc eine Wechselspannung UAC (UDC > UAc) überlagert werden.
Nach der Ausbildung des Formkörpers kann vorgesehen sein, diesen zu trocknen und anschließend zu sintern. Die Trennung von der Trägerstruktur kann dabei vor, während oder nach der Trocknung erfolgen. Durch das Sintern kann ein angesinterter oder dichtgesinterter Körper erzeugt werden. Weiterhin kann zur Verringerung der Porosität und damit auch zur Erhöhung der Festigkeit des Formkörpers der Formkörper mit Glas, Kunststoff oder Metall infiltriert werden.
Die Führung der Elektrode bzw. der Elektroden entlang der Trägerstruktur kann dreidimensional erfolgen, wobei die angelegte elektrische« Spannung variiert werden kann. Hierzu kann eine Steuerung durch Daten vorgesehen sein, welche die gewünschte Konfiguration des Formkörpers endmaßnah ermöglichen.
Während bei der klassischen elektrophoretischen Abscheidung nur flächige Schichten erzeugt werden, deren Schichtstärke nicht gezielt beeinflusst werden kann, lassen sich durch die (bevorzugt dreidimensionale) Führung einer Elektro- de bzw. von Elektroden und dessen bzw. deren abgeschirmten / gebündelten / gerichteten elektrischen Feldes sowohl lokal unterschiedliche Schichtstärken als auch auf einer ebenen Fläche dreidimensionale Formkörper (ähnlich zu einem Rapid-Prototyping-Verfahren) aufbauen.
Es ist möglich, diese Elektrodenkonfigurationen für nichtwässrige, organische Suspensionen einzusetzen. Diese werden statt Wasser insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt, wenn höchste Ansprüche an die Strukturierbarkeit gestellt werden und die hohe Abscheiderate sekundär ist.
Durch die Abscheidung des Formkörpers auf einer Membran als Abscheideelement, das räumlich von den Elektroden getrennt ist, können auch wässrige Sus- Pensionen eingesetzt werden, ohne Rücksicht auf eine eventuelle Gasbildung nehmen zu müssen. Die Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff an den Elektroden für UDC > 1 ,23 V (Zersetzungsspannung von Wasser) hat keinen Einfluss auf die Ausbildung des keramischen bzw. metallischen Formkörpers auf der Membran. Wässrige Suspensionen sehr vorteilhaft, da diese einfach zu handhaben und wegen der hohen Dielektrizitätskonstanten des Wassers hohe Abscheideraten möglich sind.
Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele angegeben: Beispiel 1 :
In einen 300 ml_ Kunststoffbecher wurde 54,72 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Es wurden 5,28 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurde 140 g Zirkonoxid (Tosoh Zirconia Pow- der TZ-8Y) eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 70,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 12,0, die Leitfähigkeit bei 4,08 mS/cm.
Die so hergestellte Suspension zur elektrophoretischen Abscheidung entsprechend der Erfindung benutzt. Als leitfähige Flüssigkeit wurde bidestilliertes Was- ser eingesetzt, versetzt mit 0,96 g TMAH, befüllt. Als Elektroden wurden jeweils ein zweifach abgeschirmtes Kabel mit einem Innendurchmesser von 100 μm verwendet, bei dem der innere Draht kürzer war als die Abschirmung. Als Material für das Abscheideelement in Membranform wurde Polyethersulfon (PES) verwendet. Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquel- Ie betrug 150 V bei einem Abstand der Elektroden von 1 ,6 cm, angelegt für eine Dauer von 10 min.
Innerhalb dieser Zeit wurden die Elektroden durch ein CAM-System (FANUC Robot, LR Mate 200 iB) derart gesteuert, dass ein Abscheidekörper in Form einer Kappe auf der Membran gebildet wurde.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper von dem Abscheideelement entformt und bei Raumtemperatur für 48 h getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 4,76 g/cm3. Der so hergestellte Grünkörper wurde bei einer Temperatur von 1600 °C in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8 cm/min gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,27 g/cm3.
Beispiel 2: In einen 250 ml_ Kunststoffbecher wurde 32,57 g bidestilliertes Wasser eingefüllt. Es wurden 7,43 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurden 160 g Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dement- sprechend eine Feststoffanteil von 80,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension lag bei 1 1 ,8, die Leitfähigkeit bei 5,17 mS/cm.
Die verwendete Vorrichtung ist in Fig.5 schematisch dargestellt. Als leitfähige Flüssigkeit wurde bidestilliertes Wasser verwendet, versetzt mit 1 ,43 g TMAH. Als Elektroden wurden einfach abgeschirmte Kabel mit einem Innendurchmesser von 100 μm verwendet. Als Material für das Abscheideelement wurde PoIy- methylmethacrylat (PMMA) verwendet.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle betrug 150 V bei einem Anfangsabstand der Elektroden 2 von 1 ,2 cm. Die Bewegung der Elektroden wurde wiederum durch ein CAM-System (FANUC Robot, LR Mate 200 iB) gesteuert. Die so hergestellten Formkörper waren zwei Kappen, die auf einer Membran gebildet wurden. Dabei wurde der Abstand der Elektroden mit zunehmender Dicke des Formkörpers von anfangs 1 ,2 cm sukzessive auf 2,1 cm vergrößert.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper von der porösen Form gelöst und bei Raumtemperatur für 72 h getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 4,92 g/cm3. Der so hergestellte Grünkörper wurde schließlich bei einer Temperatur von 1650 °C in einem Zonensinterofen mit einer Geschwindigkeit von 0,8 cm/min gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,15 g/cm3 auf.
Beispiel 3:
In einen 300 mL Kunststoffbecher wurde 52,80 g reines Ethanol eingefüllt. Es wurden 7,2 g Zitronensäure als Stabilisator zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen Dissolvers wurden 140 g Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y eingerührt. Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend eine Feststoffanteil von 70,0 Gew.-% und eine Leitfähigkeit bei 24,97 μS/cm.
Die so hergestellte Suspension wurde in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Teilkammer eingesetzt. Die andere Teilkammer wurde mit bidestil- liertem Wasser, versetzt mit 1 ,43 g Zitronensäure befüllt. Als Elektroden wurden zweifach abgeschirmte Kabel mit einem Innendurchmesser von 100 μm verwendet. Als Material für das Abscheideelement als poröser Form wurde ein handelsüblicher, in bidestilliertem Wasser getränkter Dialyseschlauch verwendet.
Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle betrug 100 V bei einem Anfangsabstand der Elektroden von 1 ,75 cm. Die durch einen CAM-System (FANUC Robot, LR Mate 200 iB) gesteuerte Bewegung der Elektroden wurde mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s bis zu einer Formkörperdicke von 3 mm und dann mit einer Geschwindigkeit von 3,5 mm/s durchgeführt. Damit wurde eine Kappe aus Zirkonoxid hergestellt.
Nach der Abscheidung wurde der Grünkörper auf der porösen Form bei Raumtemperatur für 24 h getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 4,94 g/cm3. Der so hergestellte Grünkörper wurde schließlich bei einer Temperatur von 1600 °C in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8 mm/min gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,1 g/cm3 auf.
Beispiel 4:
Es wird ein Schlicker bestehend aus Glyzerin und Goldpartikeln erzeugt und in einen Behälter gegeben. Stabilisiert wird dieser Schlicker mit Harnsäure. Als Abscheideelektrode wird der positive Abdruck (Arbeitsmodell) eines Zahnstumpfs verwendet. Das Stumpfmaterial ist eine phosphatgebundene Masse. Die Oberfläche wird mit Graphitleitlack leitend gemacht. Dazu wird die Oberfläche zunächst mit einem Leitlack mittels Pinsel gleichmäßig beschichtet und anschließend bei 170 °C getrocknet. Dieses leitende Modell wird kontaktiert und in den mit Schlicker gefüllten Behälter gegeben. In diesem Behälter befinden sich sowohl eine großflächige Gegenelektrode als auch eine steuerbare / verfahrbare Gegenelektrode. Dabei handelt es sich um ein zweifach abgeschirmtem Kabel mit einem Innendurchmesser von 100 μm. Zwischen der Abscheideelektrode und der Gegenelektrode sowie zwischen der Abscheideelektrode und der verfahrbaren Gegenelektrode wird eine Gleichspannung von 10 V angelegt. Während der zweiminütigen Abscheidezeit wird die steuerbare Elektrode verfahren. Damit ließen sich definiert dickere Schichten bzw. anatomische Formen aufbauen.
Das so erzeugte Gerüst wird zusammen mit dem Model im Ofen bei 900 °C für 2 Stunden gesintert. Dabei sintert das Gerüst auf dem Modell zusammen und die Poren verschwinden. Nach dem Sintern wird das Modell mit Salpetersäure aus dem Gerüst herausgelöst.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) zur Herstellung eines Formkörpers (1 17), insbesondere eines dentalen Formkörpers (117), mittels elektrophoreti- scher Abscheidung von Partikeln (115) aus einer Suspension (1 13, 213), mit: - einer Kammer (103, 503) zur Aufnahme der Suspension (1 13, 213), einer ersten der Kammer (103, 503) zugeordneten Elektrode (105, 405, 905), einer zweiten der Kammer (103, 503) zugeordneten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907), - einer der Kammer (103, 503) zugeordneten Trägerstruktur (107, 219, 907), auf der Partikel (115) abscheidbar sind, wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) und/oder einem zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird, und - einer Spannungsquelle (109, 409) zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907), gekennzeichnet durch ein Positionierelement (11 1 , 11 1a) zum Durchführen einer Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der Träger- struktur (107, 219, 907) entlang eines ersten vorbestimmten Pfades (627) während der elektrophoretischen Abscheidung.
2. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach Anspruch 1 , wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von einem zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird und das Positionierelement (1 11 , 1 11 a) das Durchführen einer Relativbewegung entlang eines zweiten vorbestimmten Pfades (729) zwischen der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) und der ersten Elektrode (105, 405, 905) und/oder dem Abscheideelement (219) ermöglicht.
3. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abscheideelement (219) eine ionenpermeable Membran besitzt, insbesondere bestehend aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gips, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyethersulfon und deren Mischungen.
4. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von einem zwischen der ersten Elektro- de (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird, wobei die Kammer (103,
503) wenigstens zwei durch das Abscheideelement (219) getrennte Teilkammern besitzt, wobei die erste Elektrode (105, 405, 905) einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) einer zweiten Teilkammer zugeordnet und zumindest die erste oder die zweite Teilkammer zur Aufnahme der Suspension (113, 213) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine oder beide der Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) mit einem Mittel (935, 937) zur Abschirmung und/oder Bündelung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) versehen sind.
6. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach Anspruch 5, wobei eine oder beide Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) aus einem mit einer Abschirmung (935, 937) umgebenen Leitungselement (933) gebildet sind, wobei sich die Abschirmung (935, 937) weiter als das Leitungselement (933) in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode erstreckt.
7. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine oder beide der Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) eine Punktspitze besitzen.
8. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine der Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) eine Punktspitze und die andere der Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) eine im Querschnitt kreisbogenförmige Oberfläche (831 ) besitzen, vorzugsweise eine Oberfläche (831 ) in Form einer Kugelzone oder einer Kugelkalotte.
9. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Oberflächen der Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) jeweils einander gegenüberliegende Teilflächen mit parallelen Flächennormalen besitzen.
10. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden An- sprüche, wobei die Spannungsquelle (109, 409) ausgestaltet ist, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder eine von einer Wechselspannung überlagerte konstante oder gepulste Gleichspannung zu erzeugen.
1 1. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden An- sprüche, wobei die Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) eine der Kammer (103, 503) zugeordnete dritte Elektrode (425) aufweist und die Spannungsquelle (109, 409) ausgestaltet ist, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder eine von einer Wechselspannung überlagerte konstante oder gepulste Gleichspannung zwischen der dritten Elektrode (425) und der ersten und/oder zweiten Elektrode (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) zu erzeugen.
12. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Relativbewegung (627, 729) eine Bewegung in wenigstens zwei Raumrichtungen, vorzugsweise in drei Raumrichtungen, und/oder eine Drehung umfasst.
13. Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) nach einem der vorstehenden An- sprüche, wobei Mittel zum Anordnen der ersten Elektrode (105, 405, 905) im wesentlichen vertikal über oder unter der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) vorgesehen sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (117), insbesondere eines dentalen Formkörpers (117), mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln (115) aus einer Suspension (113, 213), mit den Schritten:
Bereitstellen (50) einer Suspension (113, 213) elektrophoretisch abscheidbarer Partikel (115),
Erzeugen (52) einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer ersten Elektrode (105, 405, 905) und einer zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907), wobei eine der beiden Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) zumindest teilweise in der Suspension (1 13, 213) angeordnet ist und die andere der beiden Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) mit der Suspension (113, 213) in elektrischem Kontakt steht, und - Elektrophoretisches Abscheiden (54) von Partikeln (1 15) aus der Suspension (1 13, 213) auf einer Trägerstruktur (107, 219, 907), wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) und/oder einem zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (105, 405, 905) und/oder die Trägerstruktur (107, 219, 907) während des elektrophoretischen Abscheidens (54) entlang eines vorbestimmten Pfades (627) relativ zueinander bewegt werden (56, 58, 60).
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Elektrode (105, 405, 905) und/oder die Trägerstruktur (107, 219, 907) während des elektrophoretischen Abscheidens (54) so relativ zueinander bewegt werden (56, 58, 60), dass die lokalen Abscheidebedingungen im wesent- liehen durch die Relativbewegung bestimmt werden.
16. System zur Herstellung eines Formkörpers (1 17), insbesondere eines dentalen Formkörpers (1 17), mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln (115) aus einer Suspension (113, 213), mit: einer Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) zur Herstellung eines Formkör- pers (1 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Suspension (1 13, 213) elektrophoretisch abscheidbarer Partikel (1 15) in der Kammer (103, 503) der Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ), wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) und die erste oder die zweite Elektrode (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) im Betriebszustand zumindest teilweise in der Suspension (1 13, 213) angeordnet sind und die andere der besagten Elektroden (105, 405, 905, 107, 207, 307, 407, 807, 907) mit der Suspension (113, 213) zumindest in elektrischem Kontakt steht.
17. System nach Anspruch 16, wobei die Suspension (1 13) ein organisches Suspensionsmittel aufweist.
18. System nach Anspruch 16, wobei die Suspension (213) Wasser als Suspensionsmittel aufweist.
19. System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Trägerstruktur (107, 219, 907) von einem zwischen der ersten Elektrode (105, 405, 905) und der zweiten Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) angeordneten Abscheideelement (219) gebildet wird, wobei die Kammer (103, 503) im Betriebszustand wenigstens zwei durch das Abscheideelement (219) getrennte Teilkammern besitzt, wobei die erste Elektrode (105, 405, 905) einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode (107, 207, 307, 407, 807, 907) einer zweiten Teilkammer zugeordnet ist und zumindest die erste oder die zweite Teilkammer die Suspension (1 13, 213) enthält.
20. System nach Anspruch 19, wobei eine andere der Teilkammern im Betriebszustand eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (221 ) enthält.
21. Computerprogramm, das eine Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) zur Herstellung eines Formkörpers (117) mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln (115) aus einer Suspension (1 13, 213) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Ausführung eines Verfahrens nach Anspruch 14 oder 15 veranlasst, wenn das Computerprogramm auf der Vorrichtung (101 , 201 , 301 , 401 , 501 ) ausgeführt wird.
22. Datenträger mit einem Computerprogramm nach Anspruch 21.
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